液態黏性阻尼器之介紹及力學特性

2.2.1 液態黏性阻尼器之介紹

液態黏性阻尼器的基本構造包含了高強度筒身、油封、活塞桿及 含小孔(orifice)的活塞頭，並在阻尼器內填滿黏性矽基脂液體(silicone oil)，藉由活塞運動，黏性液體由阻尼器的一側經由活塞頭上的小孔 流至另一側，在合金製成的恆溫器校正下，黏性液體的流動將不因溫 度的變化而產生太大影響(-40℃~70℃間維持穩定【40】)。液態黏性 阻尼器的阻尼力主要來自黏性液體流經活塞頭時，在活塞頭兩側產生 的壓力差及液體的可壓縮性，而阻尼力主要用來消散結構因震動產生 之能量。活塞頭上的小孔配置與內部機械構造，可改變流體的流動特 性而產生不同的阻尼力性質，例如：線性或非線性阻尼力與不同的阻 尼係數。圖 2-1 為液態黏性阻尼器的基本構造圖。

2.2.2 液態黏性阻尼器之力學特性

液態黏性阻尼器理想的力學行為是阻尼力只與相對速度相關且

) sgn(u

u

C

F

_D = ^α  (2.1)

其中：

F ：阻尼器產生之阻尼力

_D

C ：阻尼器之阻尼係數 u ：活塞運動速度 α

：阻尼因次 sgn(

u

)=+1

，

u

≥0

= −1

，

u

<0

當

α

=1為線性黏性之行為；而

α

≠1(通常

α

<1)則為非線性黏性 之行為。較具實用價值的是

α

≤1的情形，而

α

>1在較大速度層級才 有啟動阻尼器作用，但在結構上較無應用價值。由圖 2-2 可發現在較 小的速度層級，非線性阻尼器可發揮較線性阻尼器大的阻尼力以協助 結構抵抗外力；反之在較大速度層級時，非線性阻尼器的阻尼力增量 變得有限，而線性阻尼器則維持固定比例增加，當超過某一定值後，

線性阻尼器之阻尼力反而會大於非線性阻尼器的阻尼力。

圖 2-3 為理想液態黏性阻尼器之力量與位移之遲滯迴圈，圖中線 性黏性阻尼器之遲滯迴圈為一橢圓形，而非線性阻尼器則隨著

α

值變 小，而變為四角圓滑之矩形。黏性阻尼器為不具儲存勁度(storage stiffness)之消散能量裝置，當構架裝設黏性阻尼器時，並不會影響構 架本身之自然頻率，故設計時較為方便。反之當阻尼器本身具有儲存 勁度，即為黏彈性阻尼器，其對結構有正面效益，但設計步驟需反覆 迭代較為複雜，其力量與位移之遲滯迴圈如圖 2-4 所示。

由式(2.1)可知，液態黏性阻尼器之阻尼力與速度同相，與位移成 2

π /

之相角差，所以構架上的阻尼器在構架位移最大，即梁柱系統受 力最大時，阻尼器提供的阻尼力理應為零，故不會帶給構架梁柱系統 太多額外負擔。

當阻尼器活塞運動的位移為一簡諧之正弦函數時

t u

u

= ₀sin

ω

(2.2)

其中：u ：阻尼器活塞運動之位移

u

₀：阻尼器活塞運動之振幅

ω

：阻尼器活塞運動之角頻率

阻尼器產生之阻尼力由式(2.2)微分後代入式(2.1)可得

ω

α

ω t

u C

F

_D = ₀ cos (2.3)

當

α

=1，為線性阻尼力行為，由式(2.3)可得

0

ω

)max

(

F

_D =

Cu

(2.4)

因此阻尼係數C 可由式(2.4)求得

max max 0

max

) (

) ( )

(

u F u

C F

^{D D}

= 

=

ω

^(2.5)

當

α

<1，為非線性阻尼力行為，由式(2.3)可得

α

ω

)α ( ) (

)

(

F

_{D max} =

C u

₀ =

C u

_max (2.6) 將式(2.6)取對數值

) (ln ln

)

ln( F

_{D max}

= C + α u 

_max (2.7) 其中：(

F

_D)_max：正弦位移下阻尼力之最大值

u 

_max：正弦位移下之速度最大值

由式(2.7)，將(

F

_D)_max與

u 

_max取對數值後進行線性迴歸分析，可得 非線性阻尼器之力學性質，線性回歸直線之斜率即為非線性係數

α

， 而軸截 Y 距則等於 Cln 。

由上述可知液態黏性阻尼器分為線性黏性阻尼器及非線性黏性

係；而非線性黏性阻尼器為

α

值不等於 1，當

α

<1時，阻尼器在較小 速度層級即可發揮效用，降低地震對結構物造成的影響。線性黏性阻 尼器與非線性黏性阻尼器在單位速度時阻尼出力相同，因此非線性黏 性阻尼器已逐漸取代線性黏性阻尼器。非線性黏性阻尼器的優點可簡 略舉例如下：(1)非線性黏性阻尼器(

F

_D

= C u 

^α ，

α

=0.3~0.5)的製成 較線性黏性阻尼器簡易；(2)相同出力極限時，線性黏性阻尼器與非 線性黏性阻尼器的造價相同，但非線性黏性阻尼器的出力極限需求往 往小於線性黏性阻尼器；(3)一般情形下，非線性黏性阻尼器的減震 效益較線性黏性阻尼器佳。

在文檔中 醫療院所耐震補強與性能提升之研究---總計畫暨子計畫：外接黏性阻尼器於醫院結構耐震補強之應用(III) (頁 27-30)