大型力學組件實驗室設備規格、數量與價格. 29

(一)反力牆與强力地板

反力牆及強力地板實驗系統，除了可提供一般傳統的大型結構靜 態試驗 ( quasi-static tests)或反覆載重試驗(cyclic loading tests )外，更可以 完 成 一 般 結 構 物 之 大 比 例 尺 ， 甚 至 實 尺 寸 的 大 型 擬 動 態 試 驗 (pseudo-dynamic tests )。其中利用反力牆與強力地板進行擬動試驗可以 克服振動台試驗中所會遇到的困難，例如過大質量的試體可能與振動 台產生互制效應，或者是原型結構與和縮尺後的模型結構彼此之間所 存在之動態模擬與材料模擬上的困難。對於一般的結構試驗而言，反 力牆可以用來固定油壓致動伺服器（簡稱油壓致動器），並在油壓致 動器施力時提供反力作用；而強力地板則用來錨固試體，以防止試體 的移動或轉動。除此之外，在進行結構試驗時，更希望反力牆與及強 力地板不會產生任何的變形或位移。為達到此一目的，反力牆及強力 地板就必須建造成具有非常強大的勁度與強度。

儘管目前多數大專院校的大型力學實驗室均有反力牆與强力地 板的配置，基於實驗場地運用與大部分的實驗需求考量下，在經由數 次的專家諮詢及建築研究所的團隊討論之後，決定在本計畫之大型力 學實驗室中建置反力牆與强力地板。反力牆的型式可分為兩種：單翼 型與雙翼型，單翼型反力牆的優點為牆厚度較薄，對於空間較小之實

驗場地而言，可較有效地運用空間，缺點在於總勁度較差，施工時常 正、3. 荷重計(Loadcell)之校正、4.各種構材組件之強度測試。前三項 的試驗或校正工作，國內現有的設備都可以負擔，但是對於構材組件

2.8 及 2.9 所示，萬能材料試驗機規格如表 2.3 所示。

圖2.8 連福橡膠製品公司 6000 噸萬能材料試驗機

圖2.9 連福橡膠製品公司 6000 噸萬能材料試驗機尺寸圖 表2.3 連福橡膠製品公司 6000 噸萬能材料試驗機規格表

規格 垂直最大出力 6000 ton 垂直最大行程 500 mm 垂直最大速度 25 mm/min 側壓最大出力 500 ton 側壓最大行程 2000 mm 側壓最大速度 25 mm/min

上工作台面 2000 x 2000 mm²

主機開口 1500 mm

下工作台面 2000 x 2000 mm² 下工作台移動距離 2000 mm

由規格表(表 2.3)中可以知道，雖然該萬能材料試驗機最大抗壓能 機上方兩夾具之間，藉由下方横軛( cross head)往下移動，安裝於上方 之試體即承受拉力；同理，進行壓力試驗時，試體安裝於横軛與强力

圖2.10 美國 UC Berkeley 2000 噸萬能材料試驗機

2.日本 Public Works on Research Institute (PWRI) 實驗室

位於日本筑波市之 PWRI 實驗室，是一個專門進行土木建築結構 方面力學試驗的實驗室。如圖2.11 所示，該萬能材料實驗機之抗壓能 量為 3000 噸，抗拉能量為 1000 噸，可對同一試體進行拉力與壓力之 反覆載重試驗。在萬能材料試驗機四支結構鋼柱旁有四支螺芽鋼棒，

藉由四支螺芽鋼棒的旋轉可以使橫軛升降到升降高程內任意的位 置，螺芽鋼棒如圖2.12 所示，橫軛可升降的最大高程為 15m，因此在 橫軛升降的範圍內，任何高度的試體皆可以進行試驗，試體安裝時，

在主結構上有一工作平台，如圖2.13 所示，工作平台可藉由實驗場天 車吊至適當高程，讓工作人員站在平台上架設量測儀器以及輔助試體 之架設工作。此外，萬能材料試驗機外側有兩正交方向之滑車軌道，

如圖 2.14 及 2.15 所示，可藉由軌道上之滑車將試體運送進萬能試驗 機安裝。滑車除了運送試體的功能外，若要進行梁受三點載重之彎矩 試驗，萬能試驗機軌道兩旁之兩台滑車可作為梁之支點，而由萬能試 驗機施壓力於梁上，藉此模擬簡支梁之受彎矩行為。兩旁軌道之間距 離為 30m，故可進行實尺寸梁之彎矩試驗，為了進行梁彎矩試驗，在 進行試驗的方向地板需要經過特別的設計，以抵抗萬能材料試驗機之

壓力。此機種是一台多功能的萬能材料試驗機，規格如圖2.16 與表 2.5 所示。

圖2.12 升降橫軛之螺芽鋼棒

圖2.11 日本 PWRI 3000 噸萬能材料試驗機 圖 2.13 方便工作人員進行作業之工作平台

圖2.14 萬能材料試驗機兩側之滑車軌道 圖2.15 萬能材料試驗機兩側之滑車

圖2.16 日本 PWRI 3000 噸萬能材料試驗機尺寸圖

表2.5 日本 PWRI 3000 噸萬能材料試驗機規格表

進行梁三點彎矩試驗之功能，將會佔去實驗室極大的用地空間，故規

不可行。

在CASE2 中，本研究團隊與日本廠商 shimadzu 以及美國廠商 MTS 接洽，該廠商雖然有許多實務經驗，但是基於保護日本相關產業技 術，所提出的價格與建研所預期差距太大，使本研究團隊感到萬分的 無奈與遺憾；美國廠商則表示 PWRI 系統之萬能材料試驗機，其昂貴 之處在於四支升降横軛用之螺芽鋼棒，因此MTS 開出之報價亦不在可 接受的範圍之內，至此，若不考慮更改主架構系統(及横軛之移動方 式)，則 CASE2 幾乎確定不可行。

在CASE3 中，本研究團隊與連結機械公司接洽，該公司技術人員 表示有能力製造，且採用的方式與 PWRI 以及連福橡膠製品公司不同 之機械系統，其横軛亦可做升降至試體安裝之最佳高度，但是是採用 跳躍式而非連續式之升降模式，亦即無論是上升或是下降，都必須以 最小單位(約 1m)做移動，無法像 PWRI 之螺芽鋼棒可將横軛升降至任 意的位置，雖然功能性較差，但亦屬於可接受之範圍，且其報價亦屬 合理，目前仍在與連結機械公司做進一步之接洽，等待其設計以及進 一步之詳細報價。連結機械公司設計之萬能材料試驗機如圖2.18 所示。

圖2.18 連結機械公司設計之萬能材料試驗機

其主要規格為：

(1)最大開距 15m（不含工作台車）。

(2)升降工作平台行程 11m，離地面最低位 3m。

(3)升降工作平台最大荷重 1000kg。

(4)有兩組移動或伸縮步道至中央工作區。

(5)移動式台車馬達驅動行程 6m。

(6)台車可抗壓 3000 噸，但不供拉伸作業。

(7)台車可載重 100 噸。

(8)主壓缸升降滑動移動量 2m。

(9)從地面上 2m 處至 15m 高度內移動間距單位為 1m。

(10)升降速度一秒 10mm。

在CASE4 中，本研究團隊與美國廠商 MTS 接洽，MTS 公司採用四 支鍍鉻圓柱導桿以輔助横軛之升降，當横軛移動至適當實驗位置時可 利用油壓系統加以鎖固，相關機械原理已有專人負責向本研究團隊進 行詳細之報告，由於不必採用類似日本 PWRI 之螺芽鋼棒之升降與固 定方式，故其報價尚有商談之空間。本研究團隊與MTS 正積極做進一 步之洽談。其所提出之規格如下所述：

(1)可測試試體之最大高度不可小於 15 m，可利用移動式之橫軛配合試 驗試體高度做調整，調整高程為3~15 m。

(2)構架的四根導桿水平淨間距為 3 m x 1.23 m。

(3)構架的軸向勁度為 4,201 kN/mm。

(4)構架底部底板尺寸為 2.8 m x 2.8 m，配有間隔 400 mm 的孔洞讓螺桿 穿過以固定實驗試體，在底板以下(即基礎部分)有一淨高 2 m 的工作 空間供人員工作。

(5)橫軛採油壓系統負責控制升降及定位，並在試驗機近距離範圍內配 置一控制面板以便於掌控。

(6)裝設於橫軛的油壓致動器滿足以下條件：

(a)壓力能量為 30 MN，拉力能量為 20 MN。

(b)拉力及壓力反覆加載中無間隙及鬆動現象。

(c)位移容量為 1000 mm。

(d)油壓伺服閥(servovalve)具備三階且流量 940 l/min 的特性，且可因應 日後之動態需求升級。針對所有不同規格的油壓伺服閥需提供其 對應之性能曲線圖。。

(e) 提供油壓分歧座(HSM)負責控制油壓開關及高低壓力的調整。

選擇配件如下所述：

(1)一組(兩個)抗壓接合板，上抗壓接合板接合於油壓致動器軸端，下 抗壓接合板接合於底板上，其中在上抗壓接合板包含有一球座軸 承，採特殊包覆以減低摩擦力。

(2)設計一便於工作人員安裝試件及觀察試驗之可自由升降平台。

(3)設計一安裝試件之設備，滿足便利性及準確性，例如利用一試件插 入梁或行走在軌道上之工作台車。

(4)須能控制油壓分歧座及油壓供應源，在不影響其他試驗的情況下，

控制器可獨立且安全地開啟或關閉欲進行試驗之油壓。即在操作大 型萬能試驗機的同時，在硬體及實驗場地許可下，可在同一台控制 器進行其他反力牆試驗。

美商MTS 設計之萬能材料試驗機如圖 2.19 ~ 2.22 所示。

圖2.19 MTS 設計之萬能材料試 驗機

圖2.20 MTS 設計之萬能材料試驗機(立 面圖)

圖2.21 MTS 設計之萬能材料試驗機搭 配之選擇配件

圖 2.22 MTS 設計之萬能材料試驗機搭配之 選擇配件(立面圖)

除此之外，MTS 公司尚設計另外兩種型式之萬能材料試驗機提供 業主選擇，一種是將試驗高程由上述的15 m 降到 12 m，如此可進行試 驗之試體高度雖然較小，但試驗機造價卻較便宜；另一種為將下部鋼 構造部分改成鋼筋混凝土結構，以節省建置成本，但横軛無法降至鋼 筋混凝土以下的部分，故試體可進行試驗之允許高度將較少。

目前有意願競標的廠商至少有兩家，雖然二者採用之機械系統不 同，但皆遠較日本PWRI 螺芽鋼棒式萬能材料試驗機便宜。除此之外，

本研究團隊亦著手編列招標規格，與建築研究所以及多位專家學者多

次協商會議之後，列出了萬能材料試驗機之規格，以便建築研究所採 用規格標之方式讓廠商競標。萬能材料試驗機之詳細軟硬體規格，附 於本報告之附錄二。預估之規格及經費如表2.9 所述。

表2.9 大型力學組件實驗室 3000 噸萬能試驗機規格及經費預估

設備名稱 規格 單價(元) 數量 總價(元)

3000 Ton Universal Testing Machine

+ MTS Controller

--Capacity :

3000 ton for compression 1500 ton for tension --Control Method : Hydraulic servo control and computer control --Column spacing : 3 ×1.2 m

--Max. plate-to-plate distance : 15 m

--Height : 20 m

140,000,000 1 140,000,000

(三)油壓致動器(Actuator)：（參見表 2.10）

表2.10 大型力學組件實驗室油壓制動器規格及經費預估

(四)油壓及冷卻系統：

MTS Flextest GT --MTS MPT Software --多模組電腦連線軟體

5,000,000 1 5,000,000

資料擷取系統 --電腦 x 4

計時一併計入及發包，因此經費在此不考慮編列。堆高機及垂直升降

計時一併計入及發包，因此經費在此不考慮編列。堆高機及垂直升降