摩擦阻尼斜撐

阻尼器可透過對角斜撐、

X

型斜撐、

V

字型斜撐、倒

V

字型斜撐 或壁式等不同型式與結構結合，其中以對角斜撐最為簡便。因此，本 研究首先以特殊合金為核心材，發展摩擦阻尼斜撐，並進行一系列之 元件測試，探討不同頻率、振幅、正向力及螺栓墊圈組合對其遲滯消 能行為之影響。

2.3.1.1 摩擦阻尼斜撐之細部設計

本研究所提出的摩擦阻尼斜撐之細部設計如圖

2.9

所示，其構造

主要包含

:

上、下兩段

H

型鋼、二片外覆鋼鈑及特殊合金夾層。其中，

上半段

H

型鋼尺寸為200×200×8×12，於腹鈑開孔以固定合金夾層及 外覆鋼鈑，其細部設計如圖

2.10

所示；下半段

H

型鋼尺寸亦為

12 8 200

200× × × ，於其腹鈑開設長槽孔，以提供摩擦阻尼斜撐上、下

分別與上、下段

H

型鋼以

A325 M22

螺栓連接，下半段

H

型鋼腹鈑 與合金夾層間則為滑動摩擦介面，細部設計如圖

2.12

所示。當摩擦 阻尼斜撐受力產生相對滑動時，上半段

H

型鋼會帶動合金夾層與外 覆鋼鈑一起運動，此時合金夾層與下半段

H

型鋼腹鈑間之摩擦介面 將產生相對滑動，發揮消散地震能量之作用。

2.3.1.2 測試構架與試驗規劃

„ 測試構架

摩擦阻尼斜撐的上端

H

型鋼安裝於門型測試構架上，與

100tf

油 壓致動器連接，試驗時以油壓致動器驅動摩擦阻尼斜撐產生上下之往 復運動。摩擦阻尼斜撐下半段

H

型鋼則以

8

根

M38

螺栓與構架之基 座連結，基座四個角落則以預力鋼棒固定於強力地板上。待上、下端

H

型鋼固定後，則以外覆鋼鈑將特殊合金鈑包夾於其腹鈑兩側後以螺 栓鎖緊，完成組裝。圖

2.13

為摩擦阻尼斜撐元件測試構架組裝完成 之照片。

„ 試驗規劃

本節主要探討不同之螺栓墊圈對摩擦阻尼斜撐遲滯行為之影 響。本研究考慮四種不同之螺栓墊圈如圖

2.14

所示，其中

Type A ~

Type C

為鋼材墊圈，

Type D

為橡膠墊圈，試驗將以兩組

A325 M22

高強度螺栓各施加

420N-m

扭力。由於

Type B

墊圈之內徑較大，無

法以

M22

之螺栓對鎖，為維持試驗條件之一致性，故前述每種墊圈 皆以方型鈑襯墊以利螺栓之固定

(

圖

2.15)

，並依照式

(2.1)

計算出之正 向力與扭力轉換關係，估算每組螺栓對摩擦阻尼斜撐施加之正向力為

7.45tf

，總計正向力為

14.90tf

。

摩擦阻尼斜撐之元件測試係規劃以位移控制之簡諧波作為輸入 指令，摩擦阻尼斜撐之反力及其軸向位移均由致動器內建之荷重元及 位移計直接量測，由出力與位移之關係了解摩擦阻尼斜撐之力學特 性。測試時考慮不同之測試頻率及位移振幅，包括

0.1Hz

及

0.3Hz

兩 種不同測試頻率，每一測試頻率均包含

5mm

、

10mm

及

20mm

等三 種不同的振幅，每一組合各進行

30

次循環測試。

2.3.1.3 結果與討論

摩擦阻尼斜撐於簡諧波測試頻率

0.1Hz

下，不同振幅

(5mm

，

10mm

，

20mm)

，不同墊圈種類

(Type A~Type D)

下之遲滯迴圏如圖

2.16(a)~2.19(a)

所示。試驗結果顯示，摩擦阻尼斜撐之最大摩擦力趨

於定值，且和擾動振幅無關，遲滯迴圏十分穩定飽滿，力學行為符合 庫侖摩擦機制。以使用

Type A

型墊圈之測試結果為例，於不同擾動 振幅

5mm

，

10mm

，

20mm

下測得之摩擦力分別為

15.44tf

、

16.10tf

、

16.56tf

，平均值為

16tf

，相當於特殊合金鈑與鋼材之介面摩擦係數（單

栓墊圈所得之遲滯迴圈。試驗結果顯示，其遲滯迴圈亦十分飽滿而穩 定，且在不同擾動頻率下，其摩擦力亦趨於定值。以

Type C

墊圈測 試結果為例，在測試頻率

0.1Hz

時，平均出力約為

15.30tf

，當測試頻 率到達

0.3Hz

時，平均出力為

15.32tf

，相當於特殊合金鈑與鋼材之介 面摩擦係數（單一摩擦介面）約

0.52

，相關之試驗結果整理於表

2.4

。

表

2.4

之結果顯示，使用

Type D

型

(

橡膠

)

墊圈時，其摩擦力皆較 使用其它墊圈來得小，在不同擾動振幅下平均出力約為

6.37tf

，且經 計算其介面摩擦係數（單一摩擦介面）只有

0.21

，可能原因為該類墊 圈乃橡膠材質，往復載重過程因摩擦介面會產生高溫，造成橡膠墊圈 溶化，造成摩擦介面之正向力損失，故其摩擦力較小。

除了

Type D

的橡膠墊圈外，採用其餘墊圈所得之阻尼器出力皆

很穩定，摩擦介面之摩擦係數均維持在

0.51~0.54

之間，幾無差異。

因此，往後摩擦阻尼器試驗皆採用市面上最普遍的

Type C

墊圈。使

用

Type C

墊圈下，在不同測試頻率及擾動振幅下所得之摩擦係數變

化曲線如圖

2.20

所示。其結果顯示，在不同擾動頻率下，摩擦阻尼 斜撐之摩擦係數變化不大，表示其力學特性與擾動頻率（速度）無關。

先前因

Type B

墊圈須以方型鈑襯墊固定螺栓，所有之測試一律

以方型鈑襯墊以求一致性。事實上，

Type C

墊圈無須襯墊方形鈑即可 固定螺栓，因此本研究亦針對不加方形襯墊之情形進行測試。圖

2.21

為使用

Type C

墊圈且移除外部襯墊後之測試結果，遲滯迴圈顯示其 出力較先前更大，且乃符合庫侖機制。以擾動頻率為

0.3Hz

之測試結 果為例，在不同擾動振幅下，其平均出力為

25.39tf

，相當於介面摩擦 係數（單一摩擦介面）

0.86

，測試結果歸納於表

2.5

。移除方型襯墊 後摩擦力更大的原因，可能為螺栓與墊片之接觸面更為緊實，施加之 有效正向力更大，故摩擦阻尼器之出力也更大。

綜合本節摩擦阻尼斜撐之元件測試結果，歸納結論如下：

1.

以特殊合金材料為摩擦材之摩擦阻尼斜撐，具有相當穩定 的遲滯消能特性，其力學行為符合庫侖摩擦機制，且與擾 動頻率無關，呈現「位移型消能器」之特徵。

2.

本系列測試嘗試使用不同之螺栓墊圈，其結果顯示使用一 般之螺栓的鋼製墊圈即可發揮所需功用。

3.

在摩擦阻尼斜撐測試中，特殊合金與鋼材對磨之摩擦係數 最大為

0.86

，遠高於習用摩擦阻尼器之摩擦係（μ≤0.3）。

此材料之特性可大幅增加摩擦阻尼器之設計容量，提升減 震效益與經濟性。

在文檔中 摩擦型制震裝置之耐震性能試驗與分析 (頁 37-42)