摩擦制震壁之細部設計

摩擦制震壁之細部設計如圖 5.14 所示，其主要之構件包含：上、下夾鈑、鋼 蕊層、特殊合金夾層、外覆鋼鈑及轉接鈑等構件。其中上夾鈑為兩片 19mm 厚鋼 鈑焊成之 L 型角鋼，並於角鋼兩側開鑿螺拴孔，一側螺孔用於與測試機構之可動 鋼樑（模擬位於樓層間，天花板之橫樑）連接，另一側螺孔則用以固接轉接鈑，

其細部設計如圖 5.15 所示。上半段之轉接鈑，除於鈑上開螺孔外，其鈑厚須與下 半段之鋼蕊層相同，俾使合金夾層與外覆鋼鈑能夠緊密貼合於摩擦制震壁上下兩

端。其細部設計如圖 5.16 所示。

下半段之下夾鈑設計概念與上夾鈑相同，均以鋼鈑焊接成 L 型鋼並於兩側開 螺孔，一側螺孔與測試機構固定於強力地板之基座連結（模擬樓層間之樓板）；

另一側螺孔則用以固接鋼蕊層，其細部設計如圖 5.17 所示。下半段之鋼蕊層則開 設雙長槽孔，以提供摩擦制震壁上、下半段之相對滑動空間。其細部設計如圖 5.18 所示。

合金夾層及外鋼覆鈑則分別與上端之轉接鈑與下端之鋼蕊層連接，鋼蕊層與 合金夾層間則為滑動摩擦介面，其細部設計如圖 5.19 所示。當摩擦制震壁受力產 生相對滑動時，上半段之轉接鈑會帶合金夾層與外覆鋼鈑一起運動，此時合金夾 層與鋼蕊層之摩擦介面在相對滑動過程中即可產生消能作用。

5.4.2.2 測試機構與試驗規劃

待測之摩擦制震壁試體係經由上、下端夾鈑分別與測試構架上、下端之 H 型鋼連接，測試構架之基座（H 型鋼）則與強力地板連結，測試構架上部之可動 鋼梁則與安裝於反力牆上之 200tf 油壓致動器連接，利用油壓致動器驅動摩擦制 震壁往復加載。圖 5.20 為測試構架組裝完成之照片。

由 5.4.1 節之摩擦阻尼斜撐元件測試結果顯示，擾動頻率對於阻尼器之摩擦 係數影響不大，故摩擦制震壁之元件測試僅做靜態之往復試驗，其主要目的在探 討正向力的影響。外覆鋼鈑與合金夾層係以四組 M22 之 A325 高強度螺栓對鎖接

合，每組螺栓以扭力扳手控制施加 320N-m、440N-m 及 560N-m 三種不同扭力。

依據式（5.3）之正向力與扭力轉換關係，估算每組螺栓施加之正向力分別為 3.88tf、5.34tf 及 6.80tf，相當於摩擦介面受到 15.52tf、21.36tf 及 27.20tf 等不同程 度之正向力。

元件測試之加載係採位移控制，加載波形及測試速率則分別為三角波及 0.2 mm/sec，測試位移由 10 mm、20 mm、30 mm 至 40 mm 等四段不同振幅依序進行，

每個測試振幅均連續進行五個循環。圖 5.21 為致動器之連續加載歷時圖。資料擷 取系統之取樣週期設定為 0.2sec。

5.4.2.3 試驗結果與分析

摩擦制震壁施加三組不同正向力 15.52tf、21.36tf 及 27.20tf 之測試結果分別 如圖 5.22~5.24 所示。三組試驗所得之遲滯迴圈均相當飽滿，惟迴圈右下角與左 上角局部有縮減之現象，此乃因測試機構之上部可動 H 型鋼於測試過程中產生轉 動所致。

每種組合之元件測試均進行四段不同擾動振幅，取每一振幅的五個迴圈平均 值作為對應於該振幅之摩擦力，並據以計算其摩擦係數。將不同測試振幅所得之 摩擦力及摩擦係數取其平均，作為每組摩擦阻尼器之摩擦力及摩擦係數。由三組 不同正向力 15.52tf、21.36tf 及 27.20tf 試驗所得之制震壁摩擦力分別為 38.50tf、

45.71tf 及 48.73tf。其結果顯示，摩擦力隨正向力之增大而增加，如圖 5.25 所示。

對應之摩擦係數則分別為 1.24、1.07 及 0.88，相關數據整理如表 5.4。其結果呈 現，摩擦係數隨壓力（應力）增加而減少的現象。依四組螺栓於摩擦制震壁所圍 成之面積 1151cm 計算（圖² 5.27 ），三組不同正向力所對應之應力分別為

kgf/cm2

48 .

13 、18.77kgf/cm²及23.63kgf/cm²，則摩擦係數與應力關係曲線如圖 5.26 所示。其結果顯示，摩擦係數隨應力增加而降低，此與 Constantinou 等人【43】

有關 FPS 之研究中所提到，鐵弗龍材料之摩擦係數隨應力增加而下降之結果相似

（圖 5.28）。

圖 5.29 所示為特殊合金鈑表面於螺栓孔附近產生較深的咬合痕跡。由於特殊 合金之質地較軟，施加正向力時螺栓孔周圍承受較大應力，而於合金表面產生輕 微之凹陷變形，當合金夾層與鋼鈑產生相對運動時，凹陷致使螺栓孔附近接觸面 咬合較深，因此螺栓孔周圍合金材料產生的塑性流(plastic flow)範圍較深。

„ 摩擦係數

圖 5.30 為三組試驗於不同振幅所得之摩擦係數變化曲線，由其變化趨勢 可發現：

A. 隨著螺栓扭力（正向力）的增加，摩擦係數有逐漸遞減的趨勢。以振幅 30mm 為例，當扭力由 320N-m、440N-m 增加至 560N-m 時，摩擦係數特殊合金 鈑與鋼材之介面摩擦係數由 1.24、1.07 逐漸遞減至 0.88。其摩擦係數隨螺 栓所圍束面積應力增加而降低，此現象與 Constantinou 等人有關 FPS 之研 究中所提到，鐵弗龍材料之摩擦係數隨應力增加而下降之結果相似。

B. 施加相同正向力的條件下，摩擦係數亦有隨著振幅加大而呈現降低的趨 勢。以扭力為 440N-m 為例，當擾動振幅為 10mm 時，摩擦係數 μ =1.14；

隨著擾動振幅增加至 40mm 時，摩擦係數 μ 降至 1.07。出力較小之摩擦制 震壁，摩擦係數隨振幅增大而下降之情況趨緩；反之，出力越大者，摩擦 係數隨振幅增大而下降之趨勢越為明顯。其可能原因為，摩擦制震壁之元 件測試係由小振幅（10mm）開始進行，再依序增加振幅，俟進行較大位 移之測試時，合金鈑夾層表面因先前之測試而略有磨損，故於相同正向力 測試條件下，摩擦係數會隨著測試振幅增大而遞減。不過整體而言，其衰 減程度並不算嚴重。

C. 比較摩擦制震壁與摩擦阻尼斜撐元件測試所得之摩擦係數，摩擦制震壁所 得之摩擦係數明顯較摩擦阻尼斜撐為高。惟由摩擦阻尼斜撐之合金摩擦墊 片所受之應力為14.13kgf/cm²，依據圖 5.27 之摩擦係數與應力關係曲線 圖，其摩擦係數應大於 1.0。故造成摩擦制震壁所得之摩擦係數明顯高於 摩擦阻尼斜撐，係摩擦制震壁之四組對鎖螺栓乃分散於雙槽孔中，摩擦介 面之接觸面積較摩擦阻尼斜撐為大且均勻所致。

5.4.2.4 小結

茲綜合本節摩擦制震壁之元件測試結果，歸納以下之結論：

1. 元件測試結果顯示，摩擦制震壁具穩定且飽滿的遲滯消能迴圈，證實利

用特殊合金摩擦墊（Friction Pad）發展成摩擦制震壁應為可行。

2. 特殊合金因質地較軟，接觸面咬合較深，其消能機制乃藉由材料纖維降 伏後之塑性流(plastic flow)所產生，故其性能較習用之摩擦阻尼器穩定。

3. 摩擦制震壁之摩擦係數隨著螺栓所施加扭力（正向力）增大而略有降低 之勢，且亦隨測試振幅之加大而下降。惟無論如何，在本節所有測試結 果中，其摩擦係均大於 1.6，仍遠高於一般金屬對磨的摩擦係數。此高摩 擦特性將有助於增加摩擦阻尼器之設計容量，使其更合乎經濟效益。

表5.1 扭力係數之建議參考值【42】

扭矩係數種類 區 分

A B 同一製造批次之扭矩係數平均值 0.11~0.15 0.15~0.19

扭矩係數標準偏差 0.010 以下 0.013 以下

※上述 A 類係指螺栓與螺帽接觸面經潤滑處理，B，類係指螺栓與螺帽接觸面無潤滑處理。

表5.2 扭力係數率定結果

M20 螺栓 M22 螺栓 M24 螺栓 T=80N-m

test P (tf) K20 P (tf) K22 P (tf) K24

No.1 1.17 0.349 1.20 0.309 1.05 0.324 No.2 1.03 0.396 1.14 0.327 0.90 0.378 No.3 1.04 0.392 0.97 0.384 0.93 0.367 No.4 1.11 0.367 1.16 0.321 0.99 0.343 No.5 1.14 0.358 0.98 0.380 0.91 0.373 No.6 1.03 0.396 0.98 0.378 0.91 0.373 No.7 1.05 0.388 0.96 0.388 0.97 0.352

T=95N-m

test P (tf) K20 P (tf) K22 P (tf) K24

No.1 1.05 0.461 1.15 0.384 1.10 0.367 No.2 1.36 0.357 1.14 0.388 1.20 0.336 No.3 1.41 0.345 1.07 0.411 1.18 0.343 No.4 1.25 0.387 1.11 0.398 1.22 0.331 No.5 1.06 0.459 1.16 0.381 1.20 0.336 No.6 1.18 0.412 1.13 0.391 1.21 0.333 No.7 1.1 0.440 1.14 0.386 1.11 0.365

T=110N-m

test P (tf) K20 P (tf) K22 P (tf) K24

No.1 1.29 0.435 1.37 0.373 1.42 0.330 No.2 1.20 0.467 1.27 0.401 1.37 0.342 No.3 1.19 0.471 1.52 0.336 1.35 0.347 No.4 1.25 0.449 1.36 0.375 1.33 0.351 No.5 1.22 0.460 1.29 0.397 1.31 0.358 No.6 1.17 0.479 1.31 0.389 1.35 0.346 No.7 1.25 0.449 1.34 0.380 1.29 0.362

平均值 0.42 0.38 0.35

標準差 0.04 0.03 0.02

表5.3 摩擦阻尼斜撐之摩擦力與摩擦係數

橡膠墊圈 合金鈑 合金鈑

長孔

合金鈑 合金鈑

橡膠墊圈（碟狀墊圈）

M22阻尼器 螺栓軸力200kN 屈服剪切力400kN

橡膠墊圈 合金鈑 合金鈑

長孔

合金鈑 合金鈑

橡膠墊圈（碟狀墊圈）

M22阻尼器 螺栓軸力200kN 屈服剪切力400kN

圖5.1 摩擦阻尼器之構造示意圖

內鋼板 開長槽孔

特殊合金板 開圓孔 外鋼板

開圓孔 高強度螺栓 施加正向力

摩擦介面 摩擦介面

內鋼鈑

外鋼鈑 特殊合金鈑

f f

圖5.2 阻尼器摩擦介面及受力示意圖

圖5.3 扭力扳手

凹槽 凹槽

M22牙條 5tf 5t LoadCell

圖5.4 扭力係數率定測試機構之設計圖

圖5.5 扭力係數率定測試機構組裝完成之照片

上端H型鋼

特殊合金與 外覆鋼板

下端H型鋼

外覆鋼鈑 特殊合

加勁鈑 金板

100ton致動器

基座

圖5.6 摩擦阻尼斜撐之細部設計圖

A-A view

B-B view 加勁鈑

圖5.7 摩擦阻尼斜撐上端細部設計圖（單位：mm）

A-A VIEW

B-B VIEW 加勁鈑

圖5.8 摩擦阻尼斜撐下端細部設計圖（單位：mm）

圖5.9 摩擦阻尼斜撐－特殊合金鈑與外覆鋼鈑細部設計圖（單位：mm）

圖5.10 摩擦阻尼斜撐測試構架組裝完成照片

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

displacement (mm)

-20 -10 0 10 20

Forces (tf)

Testing frequency=0.1Hz

圖5.11 摩擦阻尼器遲滯迴圈(測試頻率=0.1Hz)

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

displacement (mm)

-20 -10 0 10 20

Forces (tf)

Testing frequency=0.3Hz

圖5.12 摩擦阻尼器遲滯迴圈(測試頻率=0.3Hz)

0 5 10 15 20 25 Amplitude (mm)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Friction coefficient

Testing frequency=0.1Hz Testing frequency=0.3Hz

圖5.13 不同擾動條件之摩擦係數變化趨勢

上夾鈑 上夾鈑

下夾鈑 特殊合金鈑 特殊合金鈑

外部鋼鈑 鋼蕊

鋼蕊 加勁鈑

轉接鈑

特殊合金 與鋼鈑

圖5.14 摩擦制震壁細部設計圖

焊接12mm厚加勁鈑

-

- 正視圖

圖5.15 摩擦制震壁上夾鈑細部設計圖（單位：mm）

圖5.16 摩擦制震壁轉接鈑細部設計圖（單位：mm）

焊接12mm厚加勁鈑

-

- 正視圖

圖5.17 摩擦制震壁下夾鈑細部設計圖（單位：mm）

圖5.18 摩擦制震壁－鋼蕊細部設計圖（單位：mm）

圖5.19 摩擦制震壁－特殊合金與外覆鋼鈑細部設計圖（單位：mm）

圖5.20 摩擦制震壁測試構架組裝完成照片

0 30 60 90 120 150 180 Time (min)

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

Displacement (mm)

圖5.21 致動器連續加載歷時

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

displacement (mm)

-60 -40 -20 0 20 40 60

Forces (tonnes)

T=320Nm

Average=38.5tf

圖5.22 摩擦制震壁遲滯迴圈(P=15.52tf)

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

displacement (mm)

-60 -40 -20 0 20 40 60

Friction (tf)

P=21.36 tf Average=45.71tf

圖5.23 摩擦制震壁遲滯迴圈(P=21.36tf)

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

displacement (mm)

-60 -40 -20 0 20 40 60

Frction (tf)

P=27.2 tf Average=45.71tf

圖5.24 摩擦制震壁遲滯迴圈(P=27.2tf)

10 15 20 25 30 Normal Force P (tf)

0 10 20 30 40 50 60

Friction (tf)

圖5.25 正向力與摩擦力關係曲線

0 10 20 30

Pressure (kgf/cm2) 0

0.5 1 1.5

Friction coefficient

圖5.26 摩擦係數與應力關係曲線

圖5.27 螺栓圍束面積（單位：mm）

圖5.28 鐵弗龍材料之摩擦係數與應力關係曲線【43】

圖5.29 特殊合金試驗後接觸面咬合情形

0 10 20 30 40 50

Amplitude (mm) 0

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

Friction coefficient

P=15.52tf P=21.36tf P=27.20tf

圖5.30 摩擦制震壁之摩擦係數變化曲線

第六章 結構加裝摩擦阻尼器之解析模型

摩擦阻尼器不論在機構設計上，抑或利用摩擦力產生消散地震能量的原理均 相當簡單。惟當結構加裝摩擦阻尼器作為其消能元件後，摩擦阻尼器之摩擦機制

摩擦阻尼器不論在機構設計上，抑或利用摩擦力產生消散地震能量的原理均 相當簡單。惟當結構加裝摩擦阻尼器作為其消能元件後，摩擦阻尼器之摩擦機制

在文檔中 基於挫屈及摩擦機制之位移型抗震阻尼器的試驗研究 (頁 175-196)