摘要
中国的煤炭储量有限，且“三下压煤”占煤炭总量较大。随着煤炭资源需求的不断增加，在未来发展的过程中，在建筑物下采煤是不可避免的。而且，由于煤炭的大量开采形成了很多采空区，采空区地表可能会发生沉陷，导致周边建筑产生倾斜、扭转、拉伸等不利情况。中国是个多震国家，80%的矿区位于抗震设防地区。地震发生时，会使建筑物受到开采沉陷和地震的双重破坏作用。为了避免这种情况发生时对结构造成严重破坏，产生巨大的经济损失和人员伤亡，寻找一个有效的方法保证建筑物在开采沉陷和地震耦合作用下的安全性能是非常有必要的。 本文依托国家自然基金项目《地震作用下采动区岩层动力失稳与建筑安全控制研究》，基于结构动力学和相似理论，设计并制作了两个缩尺比为1/10的6层钢筋混凝土框架结构，并对其中一个框架结构进行碳纤维加固。设置了3种工况，分别将框架结构按2mm/m，4mm/m，6mm/m进行倾斜；选取了三种地震波：El-Centro波、Taft波和人工模拟波。分别对两种结构进行三种工况下的振动台试验，采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方式探究其性能。研究结果表明： （1）当两种结构进行三种工况下倾斜时，结构的自振频率有所下降。加固结构最多下降了5.1%，未加固结构最多下降了7.5%，加固结构的自振频率下降幅度较未加固结构小。同种工况下，加固结构的自振频率高于未加固结构，最多高了13.2%。说明开采沉陷对结构造成了损伤，随着倾斜程度的增加，结构的自振频率下降幅度增大。根据动力学公式可知，结构的刚度下降幅度增大，抗震能力减弱。碳纤维加固后，提高了结构的刚度，延缓了刚度的退化，提高了结构的抗震能力。 （2）通过理论计算可知，碳纤维加固提高了结构的承载力。在试验过程中，结构的1、2层首先受到破坏，损伤较严重容易形成薄弱区，结构的安全性能降低。碳纤维加固后，使结构的层间位移角和顶点位移较未加固结构最多减小了19.1%和14.9%。表明碳纤维加固后，结构的层间变形和整体变形较小，损伤程度较未加固结构低。提高了结构的整体性能和抗变形能力，在一定程度上优化了结构的延性，提高了结构的安全性能。 （3）通过能量耗散分析可知，未加固结构的阻尼耗散能量较小，不利于结构通过内部阻尼耗散地震能量，受到地震产生的破坏作用较大。碳纤维加固后结构的阻尼耗散能量增加，较未加固结构最大增加了36.18%。耗散了大部分地震能量，减少了结构受到的损伤，提高了结构的抗震能力。同时，也体现了碳纤维加固的有效性，有利于建筑结构在开采沉陷和地震耦合作用下的安全防控。
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