基于不同损伤识别指标的砖砌体拱桥损伤位置与强度对动力特性的影响研究

本研究针对波斯传统砖砌拱结构，通过运行模态分析(OMA)结合增强频域分解(EFDD)和随机子空间识别(SSI)技术，系统评估了局部损伤及传统石膏修复对结构动力特性的影响。研究发现损伤位置与对称性显著改变拱体固有频率（最高降低43.5%）和阻尼比（增加107.2%），并验证模态保证准则(MAC)、归一化模态差异(NMD)等指标在遗产监测中的有效性，为历史砌体结构保护提供了多参数评估框架。

　　

在波斯建筑遗产保护领域，半圆形砖砌拱结构的损伤评估与修复一直面临重大挑战。这类结构普遍存在于贾米清真寺等历史建筑中，但其动力特性受损伤位置、修复工艺影响的系统性研究尚属空白。传统监测方法往往仅关注单一损伤状态，忽视修复过程中刚度随时间恢复的动态过程，且缺乏对传统石膏灰浆修复效果的量化评估。这些局限使得遗产保护工作者难以制定精准的维护策略。

为突破这些限制，研究人员以实验室建造的波斯传统砖砌拱（内径650mm，石膏灰浆接缝15mm）为对象，创新性地采用三阶段损伤-修复监测方案。通过运行模态分析(Operational Modal Analysis, OMA)结合增强频域分解(Enhanced Frequency Domain Decomposition, EFDD)和随机子空间识别(Stochastic Subspace Identification, SSI)技术，首次实现了从完整状态→左/右/中部三位置损伤→石膏修复全过程的动态参数追踪。研究特别设计了橡胶锤随机激励法解决实验室环境振动不足的难题，并采用14天持续监测捕捉修复后刚度演变规律。

Ambient vibration test

通过对比三种激励方式（电动筛振器、地板橡胶锤击、拱体直接冲击），确定拱体直接随机冲击能最优激发结构模态响应。测试系统采用高灵敏度加速度计阵列，采样频率设定为200Hz以确保捕获高阶模态。

Case study

构建的1:1半圆形拱模型严格遵循波斯传统工艺，砖块尺寸100×100×40mm³，石膏灰浆采用梯形接缝。损伤模拟采用渐进式凿除法，分别在拱脚（左/右）和拱顶位置移除砖块，对应5%-15%截面损失率。

Types of excitations

研究发现电动筛振器仅能激发基频（信噪比<8dB），而拱体直接冲击可稳定激发前四阶模态（信噪比>15dB）。冲击位置优化实验表明，拱肋1/4处敲击可同时激发对称和反对称模态。

Conclusions

研究揭示损伤位置对动力特性影响显著：对称损伤导致基频灵敏度下降26.6%，而单侧严重损伤使二阶频率骤降43.5%。模态阻尼比作为损伤敏感指标，最大增幅达107.2%，且SSI算法比EFDD具有更好的一致性。传统石膏修复使固有频率恢复13%-13.5%，但传感器邻近区域仍残留8%刚度缺损。多指标分析证实模态保证准则(MAC)和坐标模态保证准则(COMAC)能精确定位损伤区域，其中NMD指数对微小损伤识别灵敏度最高。

该研究首创的"损伤-修复"全周期监测框架，为历史砌体结构保护提供了三大创新价值：首次量化传统石膏修复的动态刚度恢复曲线，揭示24小时关键养护期；建立多参数损伤评估体系，证明多模态联合分析的必要性；开发适用于实验室环境的精准激励方法。这些成果被推荐纳入波斯建筑遗产监测规范，并为后续研究环境因素影响、数值模型修正及新型修复材料评估奠定基础。