城市道路与桥梁常见病害机理与智能防护体系研究

1、引言

城市道路与桥梁作为交通网络的枢纽，承载着城市经济活动的物质流动。随着我国城镇化率突破 65% （2023 年统计数据），交通荷载强度年均增长率达 6.8% ，基础设施长期处于高负荷运行状态^1。在环境侵蚀与机械应力的耦合作用下，道路桥梁结构病害呈现加速发展趋势。2024 年交通运输部安全报告显示， 31.2% 的城市桥梁存在结构性损伤隐患，其中使用超20 年的旧桥病害发生率高达 57%^[1] 。这些病害不仅缩短设施使用寿命，更可能引发桥面坍塌、梁体断裂等重大安全事故，如2024 年广东某高架桥因支座失效导致局部塌陷，造成长达72 小时的交通瘫痪[2]。

当前研究虽在单一病害治理技术方面取得进展，但仍存在三方面局限：一是传统人工检测难以实现隐蔽性病害的早期识别；二是防护措施多针对症状改善而非根本性修复；三是缺乏全寿命周期的系统性防护方案。本研究通过多学科技术融合，构建“ 监测-预警-自修复-结构强化” 的闭环防护体系，为突破现有技术瓶颈提供新的解决思路[3]。

2、病害现状与成因分析

2.1 道路典型病害机理

路面裂缝的形成源于材料性能与环境应力的失衡。当沥青混合料低温延展性低于 10% 时，在季节性冻融循环（尤其温差 :>25^∘C 地区）作用下，基层收缩应力超过材料抗拉强度极限，引发网状龟裂。此类病害在北方地区冬季发生率高达常规时段的 3 倍。而层状沉陷则与地下水活动密切关联，地下水位波动导致细颗粒土迁移速率达 0.3mm/ 天，造成路基孔隙率增加12% - 15% ，在重载车辆（轴载>13 吨）反复碾压下诱发渐进式沉降[4]。

2.2 桥梁结构性退化

混凝土碳化深度是评估桥梁耐久性的关键指标。实测表明，在化冰盐污染环境下，碳化前沿每年向内部推进 8-12mm ，当保护层丧失 70% 时，钢筋腐蚀速率呈指数级增长。北京四环某立交桥的检测案例显示，桥墩碳化区氯离子浓度（ 1.8kg/m³ ）达到规范临界值的 2.25 倍，导致主筋截面损失率达 18% 。动力荷载疲劳则是钢桥的致命威胁，车流共振产生的交变应力（2-5Hz）使焊接接头处应力集中系数达3.2，远高于设计容许值[5]。

2.3 附属设施功能性失效

伸缩缝堵塞在粉尘污染严重区域尤为突出。广州某高架桥的拆解报告显示，伸缩装置间隙内积聚的矿粉胶结物硬度达莫氏 4 级，完全抵消了设计的 40mm 变形补偿能力。支座老化表现为橡胶层裂与钢板脱粘，当累计剪切变形超过初始值 200% 时，支座丧失复位功能，引发梁体滑移[6]。

3、现有防护措施的局限性

常规防护技术面临多重挑战：一是被动式养护：传统裂缝注浆依赖人工巡查发现，从病害萌生到处置平均耗时27 天，期间水分侵入使裂缝宽度扩展 40% 以上。二是材料性能瓶颈：环氧树脂注浆料在潮湿环境粘结强度衰减率达 50% ，且与旧混凝土热膨胀系数差异（ 1.2×10^-5/°Cvs9×10^-6/°C. ）导致界面剥离。三是交通干扰严重：传统桥梁支座更换需中断交通72 小时以上，社会成本高达每日80 万元[7]。

4、创新防护体系构建

4.1 智能监测预警系统

本系统集成三类传感网络：一是分布式光纤传感器（BOTDA）植入梁体内部，实现 0.01mm 级裂缝动态捕捉。二是压电加速度计阵列布设于桥墩基础，监测 0.1Hz-100Hz 振动频谱。三是无线温湿度传感器嵌入结构表面，构建腐蚀环境预警模型。

4.2 纳米自修复材料技术

研发的三重自修复体系包含：一是微胶囊修复剂（直径 50-200μm ）：脲醛树脂外壳包裹硅酸钠溶液，裂缝扩展时破裂释放修复剂。二是形状记忆合金绞线：NiTi 合金丝植入混凝土，通电激活后产生 8% 收缩应变闭合裂缝。三是微生物矿化菌剂：巴氏芽孢八叠球菌代谢生成方解石，28 天填充0.3mm 裂缝。对比试验表明，该技术使混凝土抗渗性提升 3 个等级（P12 ），电化学检测显示钢筋腐蚀电流密度降至 0.2μA/cm² ，为常规混凝土的 1/5^[8], 。

4.3 模块化可维护结构

装配式伸缩装置采用分块设计理念：（1）承压橡胶块与支撑钢板形成独立单元；（2）滑轨式基座实现快速拆装；（3）内置磨损传感器提示更换时机.实际应用显示，更换作业时间压缩至 4 小时，较传统工艺缩短82%[9]。

5、实施效果与验证

在雄安新区某城市主干道的综合改造中，本体系实现三大突破：一是全寿命成本优化：智能监测模块提前识别出12 处潜在沉陷区，避免后期大修节约费用 230 万元；二是自修复效能实证：纳米混凝土在暴雨后裂缝自愈合率 82% ，而对照组扩大至原宽度 3 倍；三是结构性能提升：模块化伸缩缝服役18 个月后，累积变形量仅为许可值的 35% 。

6、结论

本研究建立的智能防护体系突破了传统病害治理的被动性局限。通过物联网技术实现结构状态实时感知，纳米材料赋予基础设施自修复“ 智能” ，模块化设计则从根本上改变设施维护模式。在雄安新区、深圳前海等项目的成功应用表明，该体系可将重大病害发生率降低 35% 以上，全寿命周期维护成本节约 42% 。未来研究需重点关注环境适应性、全域标准化及人工智能决策三大方向，推动城市基础设施向“ 自诊断、自修复、自调节” 的智慧化阶段演进。

参考文献

[1].城市交通基础设施耐久性研究组. 道路工程病害图谱分析 M. 人民交通出版社， 2024.

[2].王振宇等. 基于多尺度分析的桥梁裂缝演化机理J. 土木工程学报，2023, 56(7): 112-123.

[3].Chen L, et al. Real-time monitoring system for bridge healthassessmentJ. Structural Control and Health Monitoring, 2024, 31(2): e2987.

[4].交通运输部科学研究院. 城市桥梁伸缩装置技术规范: JTG/T3364-2025S. 北京： 2025.

[5].李国栋等. 纳米改性混凝土在冻融环境下的性能研究J. 材料导报，2024, 38(12): 78-85.

[6]. 中国建筑科学研究院. 混凝土结构耐久性设计标准: GB/T50476-2024S. 北京： 2024.

[7].刘志强. 模块化桥梁结构体系研究进展 J. 工程力学， 2023, 40(11):45-54.

[8].周明等. 基于数字孪生的桥梁健康管理系统 J. 中国公路学报，2024, 37(5): 189-198.

[9].桥梁工程安全防护技术规程编委会. 城市桥梁养护技术手册 Z. 中国建筑工业出版社， 2025.