城市道路和橋梁結構健康監測與維護

張 立

（肥城城資建設發展有限公司，山東 泰安 271600）

城市道路和橋梁是城市交通網絡的關鍵組成部分，對保障城市居民出行、促進經濟發展有著不可替代的作用。隨著城市規模不斷擴大和車流量的增加，道路和橋梁結構面臨著更大的壓力和挑戰。因此，及時、有效的結構健康監測與維護顯得尤為重要。

1 城市道路和橋梁結構健康監測技術

1.1 傳感器技術

在城市道路和橋梁結構健康監測中，傳感器技術發揮著關鍵作用。各類先進的傳感器，如應變傳感器和加速度計等被廣泛應用于結構參數的實時監測。這些傳感器能夠實時感知結構變形、裂縫、振動等變化，為維護工作提供數據支持。

1.1.1 實時監測結構參數

傳感器技術可以實時監測道路和橋梁結構參數。其中，應變傳感器可以測量結構的應變情況，加速度計可以檢測結構的振動，實時采集和分析數據，以便迅速發現結構可能存在的問題，并提前采取相應的維護措施。表1 是一組模擬數據，展示了應變傳感器和加速度計的實時監測數據。

表1 應變傳感器和加速度計的實時監測數據

1.1.2 精準診斷結構問題

傳感器技術具有高精度和高靈敏性特點，是診斷道路和橋梁結構問題的可靠工具。通過傳感器采集到的高質量數據，工程師能夠深入了解結構的各個方面，包括微小裂縫和變形等缺陷，更快速、更準確地定位和診斷問題，從而及時采取措施，防止問題進一步擴大。在結構問題診斷中，傳感器的高靈敏性能夠捕捉結構變化的細微信號，這些信號可能是健康狀況下的正常波動，也可能是潛在問題的早期跡象。通過分析這些信號，工程師可以及早發現潛在問題，進而采取預防性的維護措施，以保證結構的長期穩定性和可靠性。傳感器技術的精準診斷，為城市基礎設施的維護提供了科學依據，為城市的可持續發展提供了有力支持。

1.1.3 數據支持維護工作

傳感器技術數據，為城市道路和橋梁的維護工作提供了堅實的數據支持。通過監測、分析結構參數、振動狀態等數據，工程師可以全面了解結構的健康狀況，及時發現潛在問題，同時使維護工作更加精細化和有針對性。工程師可以根據傳感器監測結果，制定相應的維護方案，進而有針對性地解決結構問題，提高維護工作效率。例如，裂縫或變形等問題，可以選擇表層修復、涂層更新等維護措施，避免一刀切的維護方式，更加經濟、高效。另外，通過實時監測和數據支持，使維護工程更加科學化和智能化，保證城市基礎設施長期、穩定運行，不僅提高了城市交通設施的可靠性，也降低了維護成本，為城市的可持續發展提供技術支持。

1.2 遙感技術

1.2.1 遙感技術能夠提供高分辨率的影像數據

在城市基礎設施監測中，遙感技術發揮著重要作用，尤其是在對城市道路和橋梁結構的全面監測中，可利用衛星和飛機拍攝高分辨率圖像。遙感技術具有以下優勢：首先，高分辨率影像數據是捕捉微小結構變化和病害跡象的強大工具。衛星和飛機能夠捕捉到城市道路和橋梁結構的細節，包括裂縫、腐蝕、位移等微小變化，這些高精度數據為監測人員提供了更詳細、全面的信息，幫助他們及時發現潛在問題。其次，高分辨率圖像為工程師和管理者及時提供信息反饋。通過遙感技術，監測人員能夠在短時間內獲取大范圍的結構數據，實現城市道路和橋梁的全面監測，有助于更準確地評估結構的健康狀況，為決策者提供科學依據，使其迅速采取相應措施。最后，通過遙感技術實現全面監測有助于及早發現潛在問題。微小的結構變化和病害跡象可能是健康問題的前兆，及時捕捉這些跡象可以避免問題進一步惡化，早期預警，有助于提高城市基礎設施的安全性和可靠性。遙感技術的具體應用及特點見表2。

表2 遙感技術的具體應用及特點

1.2.2 遙感技術的多源數據融合

整合不同時間、不同平臺的遙感數據，可以形成全方位、多角度的結構監測體系，這種綜合性的數據融合，使監測結果更加可靠，有助于全面呈現城市道路和橋梁結構的演變和健康狀態。例如，無人機作為實現遙感技術的重要工具，可以高效監測城市道路和橋梁。無人機搭載各類傳感器，靈活地飛越目標區域，獲取高分辨率的圖像和三維數據。無人機靈活和高精度的數據獲取方式，使其在定期巡檢和應急監測中表現出色，為城市基礎設施的健康管理提供了強大的支持。遙感技術在城市道路和橋梁結構健康監測中充當著不可或缺的角色，其高分辨率的圖像獲取、多源數據融合和無人機的靈活應用，使其成為保證城市基礎設施安全運行和可持續發展的科學、高效的監測手段。例如，針對病害識別，無人機平臺可搭載高分辨率攝像頭，按照預設路徑對待檢橋梁進行繞飛，通過采集橋梁所有可視表面的高分辨率圖像，利用系統圖像識別技術，自動識別并提取裂縫、破損、露筋、位移等病害信息，并準確標注其空間位置，從而實現橋梁結構健康狀態的精準監測。同時，通過傾斜攝影，系統可整合傳感器的感知數據、病害檢查數據和橋梁運行數據，還可構建城市橋梁群BIM 模型，用于制定可視化展示和養護決策。對于沒有交付BIM 模型或數字圖紙缺失的橋梁，可利用無人機搭載五鏡頭攝像機，根據預設路線采集橋梁結構和周邊環境信息，快速構建三維模型。在BIM 軟件中，基于傾斜攝影模型，搭建精細化的橋梁三維模型，疊加橋梁運行、病害、養護等信息，形成支撐橋梁健康監測的BIM 模型，如圖1 所示。

圖1 無人機病害檢查三維立體圖

這種先進的技術手段不僅提高了橋梁監測效率和準確性，也為城市交通基礎設施管理和維護提供了科學的依據，進而實現了橋梁結構全面、精細、智能的監測和維護。

2 城市道路和橋梁結構健康維護方法

2.1 定期檢查與維護

第一，定期巡檢是發現道路和橋梁結構問題的重要手段之一。通過系統性的視覺檢查，工程師和管理者可以觀察道路和橋梁的表面狀況，檢查支撐結構的穩定性，評估交叉口和連接部分是否出現異常，以幫助其及早發現結構問題，及時采取維修和保養措施。在巡檢過程中，工程師和管理者需要仔細觀察道路和橋梁的各個部分，如檢查道路的平整度、表面狀況、裂縫情況等，以及橋梁的支撐結構是否存在松動、腐蝕、損壞等情況。此外，需要評估交叉口和連接部分的穩定性，以確保交通流暢和安全。視覺檢查可以發現早期結構問題，如微小裂縫、表面腐蝕和變形等，可以根據道路和橋梁的使用情況和結構特點安排定期巡檢，一般高負荷、結構復雜的道路和橋梁巡檢更頻繁。同時，應將巡檢結果記錄在巡檢報告中，并進行分析，以便準確評估結構健康狀況，為制定維修和保養計劃提供依據。

第二，及時采取維護措施是預防小問題演變為大故障的關鍵。一旦在定期檢查中發現問題，需要立即采取修復和維護措施，包括修補損壞部分、更換受損結構材料、加固支撐結構等。及時維護可以防止問題進一步擴大，確保結構長期穩定。維護內容包括表層修復、涂層更新、路面補強等工作。表層修復是指修復路面或橋梁表面的損壞部分，如填充裂縫、修補坑洞等，以改善道路的平整度和舒適性，提高司機的駕駛體驗。涂層更新是為了保護結構材料不受外部環境侵蝕，延長結構的使用壽命。路面補強則通過增加支撐層或使用更強固的材料來提高結構的承載能力，以適應交通負荷的變化和發展。在開展維護工作時，需要使用合適的材料和技術來保證修復質量和持久性。此外，維護工作需要考慮施工時間和交通影響，通常在交通量較少的時間段開展，以減少對交通的影響。同時，要與相關部門和交通管理機構合作，以保證維護工作順利進行。

第三，維護工作的首要目標是延長道路和橋梁的結構壽命，采取上述維護方法，及時修復和加固結構中存在的問題，可以有效減緩結構老化過程，有助于保持結構的穩定性和可靠性，延長城市道路和橋梁的使用壽命，提高基礎設施的整體性能。同時，定期維護可以及時發現并處理結構問題，避免問題進一步惡化，進而減少維修資源和費用。其中，相較于緊急維修，預防性的定期維護更加經濟、高效。通過維護工作，可以更好地保護和管理城市現有的基礎設施，避免大規模的修復和重建，符合可持續發展原則，可延長基礎設施的使用壽命，減少新建需求。從綜合角度看，維護工作在提高結構性能的同時，為保證城市基礎設施長期健康和可持續性發展作出了積極的貢獻。

2.2 智能化修復技術

智能化修復技術是一種應用新型材料和智能傳感器的先進技術，用于精細修復城市道路和橋梁的結構缺陷，其結合了科學的材料、智能傳感技術和工程學的創新成果，旨在提高維護效率和修復質量。一方面，應用新型材料是智能化修復技術的關鍵。例如，納米材料在修復路面裂縫方面表現優異，具有出色的力學性能和化學活性，能夠更好地適應結構表面變化，并形成堅固的修復層，不僅提高了修復的耐久性，還減少了常規維護需求。另一方面，應用智能傳感器使得結構損傷修復更智能和自動化。在結構表面安裝智能傳感器，可以實時監測結構變化和損傷情況。一旦檢測到問題，智能傳感器可以觸發自動修復系統，通過釋放修復材料、調整結構形態等方式，實現自動修復，不僅提高了維護的響應速度，還減少了人工干預的工作量。綜合來看，智能化修復技術為城市基礎設施的維護注入了新的活力。結合新型材料和智能傳感器，不僅提高了修復效率，還能取得更持久和可靠的修復效果，為城市交通設施的可持續運行作出積極貢獻。

3 結語

城市道路和橋梁結構健康監測與維護是城市交通系統安全、可靠運行的重要保障。隨著科技的不斷進步，監測和維護技術更加智能化和精準化。未來，可以通過大數據、人工智能等技術，建立更為完善的城市交通基礎設施管理體系，提高城市道路和橋梁的整體運行效率。