高速公路桥梁养护与维修加固施工技术研究

1 引言

高速公路桥梁作为现代交通网络的关键节点，其结构安全与服役性能直接关系到路网运行效率与公共安全。截至 2025 年，我国公路总里程已突破550万公里，其中超过 20% 的桥梁运营超过20年，材料老化、疲劳损伤及承载力不足等问题日益突出 1。当前桥梁养护领域正经历从“被动修复”向“主动预防”、从“经验驱动”向“数据驱动”的转型升级。

本论文旨在系统整合前沿技术成果与工程实践经验，通过剖析病害机理、优化技术路径、创新管理模式，为提升我国高速公路桥梁管养水平提供理论支撑和实践指南。

2 高速公路桥梁病害类型与成因分析

2.1 结构性病害及其机理

高速公路桥梁的结构性病害主要表现为材料性能退化和力学性能衰减两大类别 2。调查显示，在役超过 15 年的混凝土桥梁中约30% 存在此类问题 3。荷载疲劳损伤在重载交通路段尤为突出，典型表现为梁体挠度持续增大，腹板出现45°斜向裂缝，反映了主拉应力超过混凝土抗拉强度。钢桥病害则以焊接节点疲劳裂纹和腐蚀减薄为主。在交变荷载作用下，应力集中部位易萌生微观裂纹并逐步扩展。

2.2 功能性病害及其机理

功能性缺陷主要表现为桥面系退化和附属设施失效。桥面铺装层的车辙、拥包病害不仅降低行车舒适性，更会引发水分下渗，加速主体结构劣化。伸缩缝堵塞或卡死导致伸缩量异常，在温度应力作用下可能引发桥台背墙挤压破坏。

3 养护技术与预防性养护体系

3.1 预防性养护体系构建

实施科学分级养护是延长桥梁使用寿命的关键策略。基于结构状况指数（BCI）和退化预测模型，将养护策略分为三级：BCI>80时实施预防性养护，包括密封裂缝、修复防水层等；BCI 在 60-80间采用纠正性养护，如局部修补混凝土缺陷；BCI<60 则需启动结构性修复，如体外预应力加固。实践表明，预防性养护投入 1 元可减少5-10 元后期修复成本，效益显著4。

智能化检测技术的应用彻底革新了传统养护模式。洛阳市在S240 黄河特大桥部署的结构健康监测系统具有代表性，该系统在关键部位安装光纤应变计、静力水准仪、结冰传感器等110 个监测点，实时采集结构应变、变形、振动特性等参数。结合无人机高清影像与 AI 识别算法，可实现裂缝宽度 0.1mm 级的自动识别与量化分析，较人工检测效率提升 80% 以上。

4 维修加固关键技术

4.1 混凝土结构加固技术

增大截面法作为传统加固手段，在梁板承载力提升中仍发挥重要作用。关键在于新旧混凝土界面处理，需凿毛至骨料外露（凹凸差 ⩾6mm ），植入抗剪钢筋（直径 ⩾12mm ，间距 300mm ），并采用微膨胀混凝土减少收缩徐变差异。

体外预应力加固是解决主梁抗弯不足的高效方案。张树仁教授团队在连续梁桥加固中，通过增设直线型体外束（消除钢套管，改用聚乙烯包裹），使跨中截面抗弯承载力提升 25% 以上 5。

4.2 钢结构与支座加固技术

损伤钢构件修复需根据缺陷性质分类处置。对于疲劳裂纹，应采用钻孔止裂（孔径≥板厚）后焊接修补；对于截面损失，常用贴板加强（板厚≤母材 1.2 倍）或外包混凝土（强度等级 ⩾C40 ）4。涪江二桥维修中，桥面吊装作业采用高强螺栓连接新构件，避免焊接热影响区对母材的损伤。

隔震支座加固技术向自复位方向发展。合肥工业大学刘笑显团队研发的 SMA 索加固系统，利用形状记忆合金的超弹性特性（恢复应变可达 8% ），较传统钢索显著降低隔震桥梁的残余位移 6。

5 数字化养护管理平台与技术

5.1 平台架构与功能

公路管养巡检“一张图”平台基于数字孪生理念构建，整合BIM+GIS 技术实现路网全要素可视化。湖南省对 1234 座桥梁进行轻量化 BIM 建模，形成“桥梁数字档案”；临沂市构建“ 1+4+N^′ ”数字化框架（1 个数据中心、4 大应用模块、N 项业务场景），实现 1100 公里国省道 6.2 万条数据的集成管理。平台逻辑架构分为三层：

数据采集层：集成无人机、车载传感器、固定监测设备等多源数据

分析决策层：内置 AI 算法进行病害诊断与性能预测

应用服务层：提供养护规划、应急指挥、公众服务等场景化应用

5.2 智能监测与预警

多源感知网络的构建是实现精准预警的基础。湖南在 469 公里高风险路段布设智能监测系统，包括 122 座桥梁的应变监测点、11处边坡的位移传感器，实现毫米级变形预警。江苏高管中心引入无人机巡检与数字孪生系统，结合沥青路面裂缝 AI 识别技术（精度达 95% ），使养护成本降低 30% ，处置周期缩短 50% 。

预测性养护决策模型是平台的核心价值。系统通过历史数据训练机器学习模型，预判路面性能衰减曲线，如招商交科“智脑平台”融合三维地质模型，边坡滑坡预警准确率达 90% ，使业务人员配置减少 60% ，决策响应速度提升 3 倍。

5.3 应急协同管理

极端天气与突发事件应对能力是平台的重要功能。潜江市通过视频监控与情报板联动，实现雪天路况实时预警，在 2024 年春运保障中创下零事故记录。南浔区将40 座大桥的190 路监控接入平台，结合 AI 行为分析，实现违法事件 10 分钟内快速处置。平台整合气象、交通流量、历史事故等数据，可预测结冰、积水等风险，并自动匹配最近的应急资源。

6 结论与展望

6.1 研究结论

高速公路桥梁养护与加固技术正向智能化、精细化、绿色化方向快速发展。本研究通过系统整合前沿技术与工程实践，形成以下结论：

预防性养护体系是延长桥梁寿命的经济策略，基于 BCI 指数的分级养护可降低全寿命周期成本 40-50% ，智能检测技术使病害识别效率提升 80%

维修加固技术创新成效显著：无初应力钢混叠合梁解决桥面板更换难题；SMA 索抗震加固实现自复位功能；智能温控系统使大体积混凝土裂缝密度降至 0.1m/m² 以下

数字化管养平台是行业变革核心驱动力，“一张图”模式通过数据驱动决策，使养护成本降低 30% ，应急响应效率提升 70%

6.2 技术展望

未来桥梁管养技术发展将聚焦三大方向：智能建造与管养一体化、绿色低碳技术应用、车路协同安全保障。建议下一步研究深化预测性养护模型精度，开发适用于不同气候区的成套技术指南，推动 5G、区块链技术在质量追溯中的应用，为交通强国建设提供技术支撑。

参考文献：

[1] 孙樑 . 高速公路运输经济管理体制研究 [J]. 中国航务周刊 ,2025,(29):81-83.

[2] 董岳 . 预应力混凝土 T 梁简支转连续负弯矩区新型湿接缝抗弯性能研究[D]. 山东交通学院,2025.

[3] 朱伟庆 , 张亚飞 , 张丽华 , 等 . 盐冻环境下混凝土桥梁服役性能演变规律及耐久性评价指标综 [J]. 长安大学学报 ( 自然科学版 ),2025,45(1):69-91.

[4] 肖聪 . 公路工程施工中预防性养护质量控制研究 [J]. 价值工程 ,2025,44(23):20-22.

[5] 付成林 .PC 连续梁桥体外预应力加固分析方法 [D]. 长安大学 ,2018.

[6] 张雪健 , 何敏 , 刘笑显 , 等 . 刚构悬索组合体系桥梁抗震性能研究 [J]. 合肥工业大学学报 ( 自然科学版 ),2025,48(6):852-857.