城市道路和桥梁结构健康监测与维护

张 立

（肥城城资建设发展有限公司，山东 泰安 271600）

城市道路和桥梁是城市交通网络的关键组成部分，对保障城市居民出行、促进经济发展有着不可替代的作用。随着城市规模不断扩大和车流量的增加，道路和桥梁结构面临着更大的压力和挑战。因此，及时、有效的结构健康监测与维护显得尤为重要。

1 城市道路和桥梁结构健康监测技术

1.1 传感器技术

在城市道路和桥梁结构健康监测中，传感器技术发挥着关键作用。各类先进的传感器，如应变传感器和加速度计等被广泛应用于结构参数的实时监测。这些传感器能够实时感知结构变形、裂缝、振动等变化，为维护工作提供数据支持。

1.1.1 实时监测结构参数

传感器技术可以实时监测道路和桥梁结构参数。其中，应变传感器可以测量结构的应变情况，加速度计可以检测结构的振动，实时采集和分析数据，以便迅速发现结构可能存在的问题，并提前采取相应的维护措施。表1 是一组模拟数据，展示了应变传感器和加速度计的实时监测数据。

表1 应变传感器和加速度计的实时监测数据

1.1.2 精准诊断结构问题

传感器技术具有高精度和高灵敏性特点，是诊断道路和桥梁结构问题的可靠工具。通过传感器采集到的高质量数据，工程师能够深入了解结构的各个方面，包括微小裂缝和变形等缺陷，更快速、更准确地定位和诊断问题，从而及时采取措施，防止问题进一步扩大。在结构问题诊断中，传感器的高灵敏性能够捕捉结构变化的细微信号，这些信号可能是健康状况下的正常波动，也可能是潜在问题的早期迹象。通过分析这些信号，工程师可以及早发现潜在问题，进而采取预防性的维护措施，以保证结构的长期稳定性和可靠性。传感器技术的精准诊断，为城市基础设施的维护提供了科学依据，为城市的可持续发展提供了有力支持。

1.1.3 数据支持维护工作

传感器技术数据，为城市道路和桥梁的维护工作提供了坚实的数据支持。通过监测、分析结构参数、振动状态等数据，工程师可以全面了解结构的健康状况，及时发现潜在问题，同时使维护工作更加精细化和有针对性。工程师可以根据传感器监测结果，制定相应的维护方案，进而有针对性地解决结构问题，提高维护工作效率。例如，裂缝或变形等问题，可以选择表层修复、涂层更新等维护措施，避免一刀切的维护方式，更加经济、高效。另外，通过实时监测和数据支持，使维护工程更加科学化和智能化，保证城市基础设施长期、稳定运行，不仅提高了城市交通设施的可靠性，也降低了维护成本，为城市的可持续发展提供技术支持。

1.2 遥感技术

1.2.1 遥感技术能够提供高分辨率的影像数据

在城市基础设施监测中，遥感技术发挥着重要作用，尤其是在对城市道路和桥梁结构的全面监测中，可利用卫星和飞机拍摄高分辨率图像。遥感技术具有以下优势：首先，高分辨率影像数据是捕捉微小结构变化和病害迹象的强大工具。卫星和飞机能够捕捉到城市道路和桥梁结构的细节，包括裂缝、腐蚀、位移等微小变化，这些高精度数据为监测人员提供了更详细、全面的信息，帮助他们及时发现潜在问题。其次，高分辨率图像为工程师和管理者及时提供信息反馈。通过遥感技术，监测人员能够在短时间内获取大范围的结构数据，实现城市道路和桥梁的全面监测，有助于更准确地评估结构的健康状况，为决策者提供科学依据，使其迅速采取相应措施。最后，通过遥感技术实现全面监测有助于及早发现潜在问题。微小的结构变化和病害迹象可能是健康问题的前兆，及时捕捉这些迹象可以避免问题进一步恶化，早期预警，有助于提高城市基础设施的安全性和可靠性。遥感技术的具体应用及特点见表2。

表2 遥感技术的具体应用及特点

1.2.2 遥感技术的多源数据融合

整合不同时间、不同平台的遥感数据，可以形成全方位、多角度的结构监测体系，这种综合性的数据融合，使监测结果更加可靠，有助于全面呈现城市道路和桥梁结构的演变和健康状态。例如，无人机作为实现遥感技术的重要工具，可以高效监测城市道路和桥梁。无人机搭载各类传感器，灵活地飞越目标区域，获取高分辨率的图像和三维数据。无人机灵活和高精度的数据获取方式，使其在定期巡检和应急监测中表现出色，为城市基础设施的健康管理提供了强大的支持。遥感技术在城市道路和桥梁结构健康监测中充当着不可或缺的角色，其高分辨率的图像获取、多源数据融合和无人机的灵活应用，使其成为保证城市基础设施安全运行和可持续发展的科学、高效的监测手段。例如，针对病害识别，无人机平台可搭载高分辨率摄像头，按照预设路径对待检桥梁进行绕飞，通过采集桥梁所有可视表面的高分辨率图像，利用系统图像识别技术，自动识别并提取裂缝、破损、露筋、位移等病害信息，并准确标注其空间位置，从而实现桥梁结构健康状态的精准监测。同时，通过倾斜摄影，系统可整合传感器的感知数据、病害检查数据和桥梁运行数据，还可构建城市桥梁群BIM 模型，用于制定可视化展示和养护决策。对于没有交付BIM 模型或数字图纸缺失的桥梁，可利用无人机搭载五镜头摄像机，根据预设路线采集桥梁结构和周边环境信息，快速构建三维模型。在BIM 软件中，基于倾斜摄影模型，搭建精细化的桥梁三维模型，叠加桥梁运行、病害、养护等信息，形成支撑桥梁健康监测的BIM 模型，如图1 所示。

图1 无人机病害检查三维立体图

这种先进的技术手段不仅提高了桥梁监测效率和准确性，也为城市交通基础设施管理和维护提供了科学的依据，进而实现了桥梁结构全面、精细、智能的监测和维护。

2 城市道路和桥梁结构健康维护方法

2.1 定期检查与维护

第一，定期巡检是发现道路和桥梁结构问题的重要手段之一。通过系统性的视觉检查，工程师和管理者可以观察道路和桥梁的表面状况，检查支撑结构的稳定性，评估交叉口和连接部分是否出现异常，以帮助其及早发现结构问题，及时采取维修和保养措施。在巡检过程中，工程师和管理者需要仔细观察道路和桥梁的各个部分，如检查道路的平整度、表面状况、裂缝情况等，以及桥梁的支撑结构是否存在松动、腐蚀、损坏等情况。此外，需要评估交叉口和连接部分的稳定性，以确保交通流畅和安全。视觉检查可以发现早期结构问题，如微小裂缝、表面腐蚀和变形等，可以根据道路和桥梁的使用情况和结构特点安排定期巡检，一般高负荷、结构复杂的道路和桥梁巡检更频繁。同时，应将巡检结果记录在巡检报告中，并进行分析，以便准确评估结构健康状况，为制定维修和保养计划提供依据。

第二，及时采取维护措施是预防小问题演变为大故障的关键。一旦在定期检查中发现问题，需要立即采取修复和维护措施，包括修补损坏部分、更换受损结构材料、加固支撑结构等。及时维护可以防止问题进一步扩大，确保结构长期稳定。维护内容包括表层修复、涂层更新、路面补强等工作。表层修复是指修复路面或桥梁表面的损坏部分，如填充裂缝、修补坑洞等，以改善道路的平整度和舒适性，提高司机的驾驶体验。涂层更新是为了保护结构材料不受外部环境侵蚀，延长结构的使用寿命。路面补强则通过增加支撑层或使用更强固的材料来提高结构的承载能力，以适应交通负荷的变化和发展。在开展维护工作时，需要使用合适的材料和技术来保证修复质量和持久性。此外，维护工作需要考虑施工时间和交通影响，通常在交通量较少的时间段开展，以减少对交通的影响。同时，要与相关部门和交通管理机构合作，以保证维护工作顺利进行。

第三，维护工作的首要目标是延长道路和桥梁的结构寿命，采取上述维护方法，及时修复和加固结构中存在的问题，可以有效减缓结构老化过程，有助于保持结构的稳定性和可靠性，延长城市道路和桥梁的使用寿命，提高基础设施的整体性能。同时，定期维护可以及时发现并处理结构问题，避免问题进一步恶化，进而减少维修资源和费用。其中，相较于紧急维修，预防性的定期维护更加经济、高效。通过维护工作，可以更好地保护和管理城市现有的基础设施，避免大规模的修复和重建，符合可持续发展原则，可延长基础设施的使用寿命，减少新建需求。从综合角度看，维护工作在提高结构性能的同时，为保证城市基础设施长期健康和可持续性发展作出了积极的贡献。

2.2 智能化修复技术

智能化修复技术是一种应用新型材料和智能传感器的先进技术，用于精细修复城市道路和桥梁的结构缺陷，其结合了科学的材料、智能传感技术和工程学的创新成果，旨在提高维护效率和修复质量。一方面，应用新型材料是智能化修复技术的关键。例如，纳米材料在修复路面裂缝方面表现优异，具有出色的力学性能和化学活性，能够更好地适应结构表面变化，并形成坚固的修复层，不仅提高了修复的耐久性，还减少了常规维护需求。另一方面，应用智能传感器使得结构损伤修复更智能和自动化。在结构表面安装智能传感器，可以实时监测结构变化和损伤情况。一旦检测到问题，智能传感器可以触发自动修复系统，通过释放修复材料、调整结构形态等方式，实现自动修复，不仅提高了维护的响应速度，还减少了人工干预的工作量。综合来看，智能化修复技术为城市基础设施的维护注入了新的活力。结合新型材料和智能传感器，不仅提高了修复效率，还能取得更持久和可靠的修复效果，为城市交通设施的可持续运行作出积极贡献。

3 结语

城市道路和桥梁结构健康监测与维护是城市交通系统安全、可靠运行的重要保障。随着科技的不断进步，监测和维护技术更加智能化和精准化。未来，可以通过大数据、人工智能等技术，建立更为完善的城市交通基础设施管理体系，提高城市道路和桥梁的整体运行效率。