日本制震技術之現況

1. 緒言 (1) 背景

隨著都市機能日益提昇的同時，為了能確保逐年增加之社會財產，因此 必須設法改良建築物構造。除了在以往的設計上需能符合最低標準之安全基 準，在建築物之機能與價值方面，則針對各大中小地震制定其受損害之容許 範圍，因此必須透過性能設計法，建構達成上述需求之構造物顯得十分重要

1)。由於現今大部分的構造物未能依建築物重要性訂定性能目標作為分析設計 之準則，為了確保建物機能及降低大地震發生時生命財產的損失，制震技術 應用於構造物上則顯得愈來愈重要^2),3)。在這樣的背景之下，本文針對近年來

而目前制震裝置應用於結構物中的實績驗證尚稱不足，所以其技術資訊難謂 相當成熟。

(2) 制震技術之檢討

今後為能促使工程師對於趨於成長之制震技術具備相當之知識，首應著 重於如何分析、設計、施工制震構造物。而制震裝置本身是否能達成設計規 格性能需求，以及制震構造物是否能發揮預期之性能效果等，現階段應儘可 能使制震裝置規格與制震結構的應用明確化，這對於制震技術今後之發展與 普及極為重要⁹⁾。

基於以上之觀點，筆者針對各式制震裝置與制震結構物進行研究，並且 建立一套制震裝置及構造物之性能評估與設計法。期望對於制震技術的研究 所獲得的成果，可作為日本國內對制震技術應用的參考資料，並將其研究成 果簡單歸納於下文。其中內容的一部份係摘自制震構造協會的反應控制部 會、被動式制震評估委員會、構材品質基準小委員會以及8 小組團隊之研究 成果。

2. 制震系統與結構

制震效果需將制震裝置與結構物結合成一體，藉由制震裝置吸收消耗構造物 大部分外在載重的能量，使建築物的使用機能能充分發揮，亦即地震或風施加於 構造物的外力能量能有效地由結構體傳遞至制震裝置，但必須在裝置不產生破壞 的前提下，吸收大部分外在載重的能量。

(1) 制震裝置

目前的制震裝置如圖5.2.1.1所示，可大致區分為黏滯性阻尼器、油壓阻 尼器、黏彈性阻尼器、剛鈑阻尼器等4 種阻尼器。

黏滯性阻尼器¹⁰⁾係具有利用高分子化合物之抗剪強度製成面型、箱型及 流動抵抗的筒狀型。油壓阻尼器¹¹⁾係藉油壓管路流動的推壓抵抗產生內壓 後，將其轉化為阻尼力的筒狀型。黏彈性阻尼器¹²⁾係將高分子化合物如積層 橡膠置入鋼鈑之間，運用其抗剪強度發揮制震特性，其典型的形狀為面型及 筒狀型，但亦可製成其他形狀。鋼鈑阻尼器¹³⁾其斷面形狀包括十字型、矩形 型、圓筒型、H 型等，利用長形鋼材的軸向拉伸與壓縮降伏力發揮其制震特 性，亦有利用面型斷面之鈑梁或加勁鋼鈑塑性力⁸⁾發揮其制震特性的裝置。

此外，還有利用金屬與金屬或金屬與其它裝置間因接觸產生摩擦力之阻尼 器，同樣具有相似的載重與變形遲滯迴圈特性關係。

(2) 制震構造

制震阻尼器與結構物結合的形式(如圖5.2.1.2)可區分為直接結合型、間 接結合型及其他接合型等3 種類型⁹⁾。

直接結合型係將制震阻尼器與結構的頂層與底層直接連結而成，建築物 之層間變形幾乎可完全反應於制震阻尼器上（如圖5.2.1.2），其類型包括壁 型、斜撐型、SL 型等，在所有接合類型的制震阻尼器中，其吸收消耗外力能 量的效果最佳。

間接結合型可分為間柱型、方杖型、接合處型等，其層間變形先透過樑、

柱的變形，再反應於制震阻尼器上（如圖5.2.1.2），故吸收消耗外力能量的效 果較直接接合型差，但因為此類型的阻尼器可以配合設計者的需求，調整建 築物的開口位置及大小，因此，目前亦廣泛的被使用。

其他類型係制震阻尼器裝設於梁或柱間，使得樑或柱接合非連續性，當 結構體承受外力時，阻尼器會產生剪切變形吸收能量（如圖5.2.1.2）。當阻尼 器裝設於柱與基礎間，對於高寬比較大之建築物，柱與基礎承受反覆拉力及 壓力較大，可藉由裝設之阻尼器吸收消耗外力能量，故可得到良好制震的效 果，此種制震阻尼器亦可稱為SC（step column）型¹⁸⁾。

圖5.2.1.1 4 種制震裝置

黏滯性

黏彈性

油壓

鋼鈑加勁

SL型 斜撐型

接合處型

直接結合型間接結

方杖型

本文上述之制震系統與結構體之組合需使用許多各種材料，而這種制震 構造之設計為能提昇其效率，因此需特別注意制震系統、構材及結構間之平 衡性^2),3),8)。

例如直接結合型（圖5.2.1.2），意即利用壁型、斜撐型、SL 型使樑柱更 為堅固時，則能量會集中於堅固的構材中而較難進入制震系統內，且由於層 間變形量小，因此吸收之能量亦較少；另一方面，若樑柱過於柔軟，則無法 成為支撐制震系統反力及自重之構造，制震構造整體之剛性較小，變形量亦 會增加。此外，斜撐等安裝構材若不夠堅固時，該處無產生變形，則無法使 重點裝置充份變形。

間接結合型（圖5.2.1.2）即間柱型、方杖型及接合處型，因樑柱兼具安 裝構材的任務，故這些彎曲、剪切變形即變得特別明顯，致使制震系統變形 難以確保需多加注意。樑柱若較為堅固時，則安裝構材及結構的剛性便同時 提昇，因此將造成制震效率增加或減少之兩種相反效果。由此可知，相較於 直接結合型，效率之決定要因較多，涉及之部份亦較為複雜，故設計上較為 困難；即使找到最適當的解決方案，一般而言其制震效率則偏低。

3. 制震構造的變位特性 (1) 制震機構

圖5.2.1.3係採用單質點系統，以簡潔的方式表現制震之機構，有助於推

測多質點制震構造的行為以及決定裝置、安裝構材與結構間平衡之設計時的 模型，透過此模型可看見裝置與直列式安裝構材以及與之並列之結構中的內 部力與變形的傳遞^2),3)。此外，具備直接結合型之結構的制震構造類似此模 型，而即使是間接結合型亦可利用變換的方式以同一個模型呈現^6),26)（圖

5.2.1.3(a)）。當結構整體的彎曲變形極為明顯時，即需修護此模型²⁾，而此後

需設安裝構材之勁度為Kb、結構之勁度為Kf（圖5.2.1.3(b)）；有關裝置之特 性將利用圖5.2.1.4說明於下文中。

阻尼器 結構

斜撐 阻尼器

(a) 制震構造例

斜撐 阻尼器

結構

(b) 單質點系統之組成

圖5.2.1.3 制振之機構與模型（單質點）

黏滯性阻尼器15),16),31)中，特別是利用流動抵抗的筒型係由其各黏性係數 Cm的非線性阻尼裝置、勁度Km之彈性彈簧直列式（Maxwell 構造）所組成

（圖5.2.1.4）；此外，由於安裝構材彈簧Kb亦是與之並列，故合併2 個彈性

彈簧Km、Kb後組成支撐材Kb΄（圖5.2.1.4）。非線性阻尼裝置係力比上速度 指數次方的非線性型，故Cm為力除以速度指數次方的單位。

油壓阻尼器11),14),23),32)同樣是以Maxewll 構造組成，由 2 種彈性彈簧組成

支撐材Kb΄（圖5.2.1.4）；不同於黏滯性阻尼器之處在於非線性阻尼裝置係力

比上速度之線性形。此外，Cm係分兩階段變化，至某程度以上之速度時，減 壓閥即開始動作，此時Cm則會變得極小。

黏彈性阻尼器2)-8),12),24),29)係以黏性Cd之非線性阻尼器與勁度Kd之彈箕 之並列式（kelvin 構造）組成（圖5.2.1.4），與上述2 種阻尼器均不同，僅安 裝構材之勁度Kb係定義為直列彈簧；Cd與Kd係依附於振動數ω 及溫度中，

屬於力大致全數比上變形的線性型，但由於材料不盡相同，亦有隨變形增加 即軟化的阻尼器^,24)。

鋼材阻尼器，其歷時幾乎是依附於變形中，不同於其他阻尼器。若忽略 應變硬化時，則阻尼器係由剛塑性彈簧及彈性彈簧組成（圖5.2.1.4），亦有應 變硬化極為明顯之鋼材；此外低降伏強度鋼也是依附於速度中，因高應變速 度致使歷時近似圓形，反力亦隨之上升。

斜撐 阻尼器

黏滯性

油壓

黏彈性

（雙折線型）

（非線性）

圖5.2.1.5第一排係表示4 種裝置之能量吸收部位的歷時曲線。黏滯性阻 尼器的圖是表示指數為0.4 時，非線性阻尼器之歷時圖形，相較於線性阻尼 器，即使為低速其反力較高，高速度時亦可抑制反力增大；此外由油壓阻尼 器之非線性阻尼器歷時圖形中亦可看出，當達到某程度以上之速度（變形）

時，減壓閥可抑制反力增加。黏彈性阻尼器的情形中，能量吸收部位（Kelvin 構造）之歷時為橢圓形，具傾斜度（勁度），而鋼材阻尼器是當降伏後才抑制 反力增加。

圖5.2.1.5中間排係表示裝置與安裝構材之直列構造的歷時曲線，4 種裝

置皆相同，採低勁度安裝構材時變形較大，故能量吸收部位的變形量減少，

歷時圖形則變得較細；當力變大時，安裝構材則隨之變形，因此即使是無勁 度的阻尼器，直列構造中將會產生等效勁度，也就是最大變形時之割線勁度。

圖5.2.1.5最下排係表示，以直列構造之反力加上結構彈性勁度Kf之反

力所求出之制震構造整體的歷時曲線。構造整體之每個週期的能量吸收量與 直列構造的相等，歷時以框住的面積表示。

制震構造的等效勁度及能量貯存量為直列系統與結構各值之總和，由於 等效阻尼係數係以能量吸收量與貯存量之比決定，故制震構造之值低於能量 吸收部位或直列系統之值。

4. 制震構造之性能與設計手法 (1) 性能曲線

一如上述所言，裝置的能量吸收機構及歷時形狀不盡相同，但建築物中

系統

（含結構）

直列構造

（含安裝材）

能量吸收部位

黏滯性 油壓 黏彈性 彈塑性

圖5.2.1.5 採用各種阻尼器之制震構造的能量吸收部位，直列構造，系統之正常反應