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基于阻尼特性的RC简支梁桥损伤识别：理论、分析与试验验证

一、引言

1.1研究背景与意义

在现代交通体系中，钢筋混凝土（RC）简支梁桥作为一种常见且重要的桥梁结构形式，广泛应用于公路、铁路等交通领域。其结构形式简单、受力明确，在中小跨度桥梁建设中具有显著的技术经济优势，为地区间的交通连接和经济交流发挥着不可或缺的作用。例如，在城市的交通干线上，众多RC简支梁桥承担着大量车辆的通行任务，保障了城市交通的顺畅；在一些乡镇地区，它们则成为连接城乡、促进物资运输和人员往来的关键纽带。

然而，由于长期承受车辆荷载、环境侵蚀以及材料老化等多种因素的综合作用，RC简支梁桥在服役过程中不可避免地会出现各种损伤，如混凝土开裂、钢筋锈蚀、结构变形等。这些损伤不仅会降低桥梁的结构性能和承载能力，还可能引发严重的安全事故，对人民生命财产安全构成潜在威胁。2023年美国巴尔的摩弗朗西斯?斯科特?基大桥被集装箱船撞击后坍塌，导致6名落水者被推定死亡，港口关闭数日，给当地的海运、货运和民众通勤带来极大影响，保险索赔或高达数十亿美元，凸显了桥梁损伤带来的严重后果。

同时，桥梁损伤也会带来巨大的经济损失。一方面，为了修复或加固受损桥梁，需要投入大量的人力、物力和财力，包括维修材料费用、施工设备租赁费用以及专业技术人员的劳务费用等；另一方面，桥梁损伤导致的交通中断或通行能力下降，会影响交通运输效率，增加物流成本，给相关产业带来间接经济损失。据统计，因桥梁损伤造成的交通延误，每年给社会经济带来的损失可达数十亿元。

传统的基于频率和振型等基本动力参数的损伤识别方法，在实际应用中存在一定的局限性，准确性和适用性有待进一步提高。因此，开展基于阻尼特性的RC简支梁桥损伤识别研究具有重要的现实意义。阻尼作为结构动力响应中的一个关键参数，对结构的损伤状态变化较为敏感，能够更全面地反映结构内部的细微变化。通过深入研究阻尼特性与结构损伤之间的内在联系，可以为RC简支梁桥的损伤识别提供一种新的有效途径，有助于及时发现桥梁的潜在损伤，评估其结构安全性能，为桥梁的维护、加固和管理决策提供科学依据，从而保障桥梁的安全运营，延长其使用寿命，降低社会经济损失。

1.2国内外研究现状

在国外，基于阻尼特性的RC简支梁桥损伤识别研究开展较早。一些学者通过理论分析和试验研究，探究了阻尼比与结构损伤之间的定性关系。他们发现，随着结构损伤程度的增加，阻尼比会发生相应的变化。在对混凝土梁进行疲劳加载试验时，观察到阻尼比随着裂缝的出现和发展而逐渐增大。还有学者运用先进的信号处理技术，对结构振动信号中的阻尼信息进行提取和分析，提出了基于阻尼特性的损伤识别算法，如基于小波变换和神经网络的阻尼识别方法，提高了损伤识别的准确性和可靠性。

国内在这方面的研究也取得了一定的成果。许多研究人员通过建立有限元模型，对RC简支梁桥在不同损伤工况下的阻尼特性进行数值模拟分析，深入研究了阻尼比与结构裂缝宽度、长度以及钢筋锈蚀程度等损伤指标之间的定量关系。通过对不同损伤程度的RC简支梁进行有限元模拟，得出了阻尼比与裂缝宽度的拟合公式。同时，一些学者还开展了现场试验研究，对实际服役的RC简支梁桥进行振动测试，获取阻尼比等动力参数，并结合实际损伤情况，验证了基于阻尼特性的损伤识别方法的可行性和有效性。

然而，现有研究仍存在一些不足之处。部分研究仅考虑了单一损伤因素对阻尼特性的影响，而实际桥梁结构往往受到多种损伤因素的共同作用，这种多因素耦合作用下的阻尼特性变化规律尚未得到充分研究。目前的损伤识别方法在准确性、抗噪性和实时性等方面还存在一定的提升空间，难以满足复杂工程环境下桥梁结构健康监测的实际需求。此外，对于阻尼特性在桥梁结构损伤评估中的应用，还缺乏统一的标准和规范，限制了该方法的广泛推广和应用。

1.3研究内容与方法

本文将围绕基于阻尼特性的RC简支梁桥损伤识别展开深入研究，主要内容包括以下几个方面：

理论分析：深入研究阻尼产生的机理，分析阻尼特性与RC简支梁桥结构损伤之间的内在联系，建立阻尼比与结构裂缝数量、宽度以及损伤演变过程的理论关系模型，从理论层面揭示基于阻尼特性进行损伤识别的可行性和原理。

试验设计：设计并开展RC简支梁桥模型试验，模拟不同程度的结构损伤工况，采用先进的振动测试设备，如加速度传感器、动态应变仪等，准确采集试验过程中结构的振动响应数据，获取不同损伤状态下的阻尼比。

数据分析：运用现代信号处理技术和数据分析方法，对试验采集到的振动数据进行处理和分析，提取有效的阻尼信息。通过对比不同损伤工况下的阻尼比变化规律，建立基于阻尼特性的RC简支梁桥损伤识别指标和方法，并对其准确性和可靠性进行验证。

在研究方法上，本文将综合运用数值模拟、试验研究和理论分析相结