文獻回顧

挫屈（buckling）原是一種不穩定的結構行為，若無適當支撐，將 導致軸力構件側向不穩定之現象，使構件之勁度在未達降伏強度前即 迅速衰減而喪失承載能力。但若為非結構桿件，經適當之設計將其變 形控制在引導之方向與範圍內，則挫屈連桿鋼材極易降伏的特性將是 很好的消能減震（振）元件。近年來利用可變曲率勁度元件（variable curvature stiffness device）或稱挫屈連桿（buckled struts）作為機械設備 之減振元件在國外已有應用實例，其力學行為相當於非線性彈簧，如 圖 1.1 所示【1、2、3】。可變曲率勁度元件係一鋼製拱形薄板，乃具初 始側向變形之軸力構件，可藉由調整其曲率而改變振動頻率。構件受 力變形時，其曲率（或勁度）亦隨之變化，非線性之結構行為在往復 運動中吸收振動能量，因而達到減振目的。圖 1.2 為兩端均為鉸接

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（hinged）之挫屈連桿受到一軸力作用時之軸向位移及變形曲線示意 圖，當桿件處在初始挫屈狀態時，其精確的變形曲線或近似解可分別 根據文獻【4】及【5】中的方法求得。

Winterflood 等人【6】於 2002 年提出利用彈性挫屈之桿件作為設 備垂直向之隔振裝置（圖 1.3）。Virgin【2】等人以兩根互相平行且兩 端均為鉸接之挫屈柱支撐一重約 24N 的質量塊，並於基座施加一可調 整頻率之垂直諧和擾動（圖 1.4），測試其隔（減）振效率。其結果顯 示，於振幅 3mm 之擾動下，擾動頻率愈高，振動反應之功率普密度

（power spectral density，PSD）愈小（圖 1.5）。

此一結果也印證 Winterflood 等人【3、5】之研究結果，提到於某 些較為敏感的作業環境下，使用 Euler spring 可隔絕高頻擾動對於振動 系統之影響。此外由位移歷時圖（圖 1.6）最後靜止狀態可知 Euler − spring 亦具有消能特性。文中建議，試驗所採用之邊界條件為理想狀態 的簡支（simply − supported boundary condition）型式，為此種邊界條件 的實現與維持相對較困難，實務應用上仍以兩端束制（clamped − ends）

型式較為可行。

Plaut 等人【7】延續 Virgin 等人之研究，將助兩端改為束制固定之 邊界條件，並討論傳遞率（transmissibility，TR）之主要參數，包括系 統與柱本身的阻尼（external and internal damping）、柱本身勁度、所支

撐載重（supported weight）及柱之初始曲率（initial curvature）等。Ji 和 Hansen 試驗【8】時，考慮挫屈連桿兩端邊界條件為一端固定，另 一端為滑動之狀態，此形式之目的是藉由滑動端控制摩擦力大小來調 整系統之阻尼比。

Bonello 等人【9】於 2005 利用挫屈連桿作為可調式消能減振元件

（圖 1.7，adaptive tuned vibration absorber，ATVA），之研究，其主要 構件為壓電致動器（Piezo − actuators）與挫屈連桿所組成之可變勁度 元件（variable stiffness element，curved beam），運作時可調節 ATVA 之勁度，以改變系統之振動頻率，解決調頻不精確的問題，使得 ATVA 可控制的頻寬範圍更廣，減振性能亦可提昇。

林科良【10】於 2006 針對挫屈連桿（圖 1.8）進行元件測試，往 復載重試驗結果顯示，其軸力與軸向變形之關係呈橢圓形遲滯迴圈，

證明挫屈連桿具有消能作用。雖然為鋼材，其力學特徵接近黏滯阻尼

﹙viscous−damping﹚之特性，但有勁度，類似黏彈阻尼﹙visco−elastic damping﹚材料之行為。該研究並利用推測 − 適應過濾（stochastic

−adaptive filtering）法進行系統識別迴歸出挫屈連桿之遲滯迴圈模型參

數，圖 1.9 為其試驗結果與預測值之比較。

上述文獻顯示，挫屈連桿之軸力與變形關係呈非線性，因此具備 消能減震（振）特性。其力學概念十分簡單，乃基於材料力學【11】

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或鋼結構學之挫屈理論而發展。相較於挫屈束制斜撐（Buckling−

Restrained Bracing），本文擬研發之挫屈連桿﹙buckled Struts﹚可在變 形很小時即發揮消能作用，因此作為建築消能減震（振）裝置應當有 更大的施展空間。