第三章 摩擦制震壁之元件測試
3.3 制震壁縮尺元件測試
3.3.2 測試驗機構與試驗規劃
元件測試機構之設計如圖 3.21 所示，係利用一 H 型鋼(基礎底座) 與反力座將 1.5tf 油壓致動器安裝於 H 型鋼上，並於測試機構上安裝 一荷重元(Load Cell: ±5 tf)以直接量測摩擦阻尼器之反力；摩擦阻 尼元件之位移係由致動器內建之位移計(LVDT)直接量測而得。測試時 將摩擦阻尼元件安裝於測試機構上，圖 3.22 為組裝完成之測試構架。
為避免 1.5 噸油壓致動器因連接過長，導致測試機構之上鋼梁無 法維持水平，故設計一支承座(圖 3.23)以支撐之，並將門型鋼鈑(圖 3.24)與支承座對鎖，以限制鋼樑之上下移動空間，其組裝完成圖如 圖 3.25 所示。
由於先前張簡嘉賞【12】之研究指出，作為驅動力來源的 1.5tf 油壓致動器因內部缸體小、衝程小、油料進出之閥門亦很小，當致動 器快速運作時，致動器內部油料須於油閥孔隙間快速進出，因而產生 自身之阻抗力，恐影響縮尺摩擦阻尼元件之力學行為。當輸入擾動頻 率較快且位移較大時，整體遲滯迴圈將近似橢圓形，而非庫侖摩擦機 制之特徵。因此，為避免油壓致動器的性能造成試驗結果的誤判，縮 尺摩擦阻尼元件之測試皆採用 0.1Hz 作為輸入頻率，並考慮三種不同
探討不同螺栓根數(2 根及 4 根)以及不同螺栓扭力(10 kgf-cm、20 kgf-cm 及 30 kgf-cm)對摩擦阻尼元件行為的影響。
3.3.3 試驗結果與分析
縮尺摩擦阻尼元件測試之目的，在於規劃後續耐震性能試驗前能 先掌握阻尼器的力學行為，以決定其最佳設計參數。本試驗分別施加 10 kgf-cm、20 kgf-cm 及 30 kgf-cm 的扭力於摩擦介面上之 M10 螺 栓。使用兩根螺栓時，經由式(2.1)換算，其介面總正向力分別為 97.56kgf、195.12kgf 及 292.68kgf；使用四根螺栓時，換算其介面 總正向力則分別為 195.12kgf、390.24kgf 及 585.37kgf。
表 3.1~表 3.2 分別為使用兩根及四根螺栓時，對應扭力及振幅 下得到的之平均摩擦力與摩擦係數歸納表。其結果顯示，介面摩擦力 隨正向力之增加而增大，在出力較小時約呈線性關係，當出力較大 時，則因摩擦係數隨著應力增加而減少之故，使得正向力與摩擦力不 呈線性關係，如圖 3.26 所示。縮尺制震壁元件測試使用的特殊合金 鈑之摩擦係數(單面)約介於 0.48 至 0.51 之間，整組摩擦阻尼元件之 平均摩擦係數約為 1。因測試構架定位問題與實尺制震壁元件測試結 果較不一致，但其摩擦係數皆大於習用之摩擦阻尼器，可大幅增加阻 尼器之設計容量，提升摩擦阻尼器之效能，更具經濟效益。
(圖 3.27~圖 3.29 為使用兩根螺栓，圖 3.30~圖 3.32 為使用四根螺 栓)。測試結果顯示，每組遲滯迴圈皆相當飽滿，惟於右上角及左下 角有摩擦力突然增加的情形發生，應為測試機構連接致動器之轉接件 存有空隙所致。茲以圖 3.21 說明之，因致動器、Load Cell 及測試 機構所使用之螺栓尺寸不同，故致動器與 Load Cell 須以轉接件 A 連 接，Load Cell 與上部構件間則需使用轉接件 B 連接。由於轉接件上 之螺栓孔須略大於螺栓直徑，因此存在些許空隙，當致動器轉向時(遲 滯迴圈之右上角及左下角)，測試機構需先克服轉接處之空隙始能滑 動，造成額外力量進入，以致摩擦力在遲滯迴圈角隅有突然增加之現 象。此外，摩擦阻尼元件之定位須保持在平面內(in-plane)，但因上 部構件與下部構件間有些許偏移，造成鋼芯鈑與特殊合金鈑間產生平 面外(out-of-plane)之偏差，將使得試驗時特殊合金鈑無法完全與鋼 芯鈑完全貼合，導致有效摩擦面積減少，試驗後合金鈑之摩擦刮痕不 均勻(圖 3.33)，使得壓應力與摩擦係數之關係(圖 3.34)與實尺制震 壁元件測試結果較不一致。
3.4 小結
實尺制震壁元件測試結果顯示，摩擦制震壁之遲滯迴圈飽滿，符
與螺栓存有空隙所致，惟無論如何，其摩擦係數均高於習用之摩擦阻 尼器，此高摩擦特性將有助於增加摩擦阻尼器之設計容量。摩擦制震 壁之摩擦係數隨著摩擦介面上應力的增加而略有降低的現象，綜合本 研究及修正李羿廷【13】之研究後，壓應力與摩擦係數之經驗公式為 μ=-0.0086σ+1.1323，其中μ為摩擦係數、σ為壓應力(kgf/cm2)，
可作為往後工程實務之設計參考依據。
縮尺摩擦制震壁元件測試結果顯示，在施加相同螺栓扭力時所產 生之摩擦力，使用四根螺栓約為使用兩根螺栓之兩倍，而在使用相同 螺栓數量時，摩擦力與施加於螺栓之扭力約呈正比，摩擦制震壁之力 學行為與庫侖摩擦機制相符，其遲滯迴圈相當飽滿穩定，顯示能有效 消散地震能量。惟測試構架定位精準度不足的問題，造成測試振幅較 大時產生擠壓因而在迴圈角落有力量增大的情形，遲滯迴圈之特徵仍 呈現庫侖摩擦機制。
因縮尺元件測試構架定位不準確等問題，使得實尺與縮尺摩擦制 震壁元件測試之結果較不一致，惟無論如何，特殊合金與鋼鈑間的摩 擦係數皆高於習用之摩擦阻尼器，可大幅增加阻尼器之設計容量，提 升摩擦阻尼器之效能，更具經濟效益。後續之耐震性能試驗，將以縮 尺摩擦制震壁元件測試使用之特殊合金鈑尺寸，作為摩擦制震壁之設 計參考依據。
表 3.1 實尺元件測試之摩擦力與摩擦係數
扭力/根 正向力 摩擦力 摩擦係數/片
(N-m) (tf) (tf) μ
100 18.53 38.79 1.05 180 33.36 63.87 0.96 320 59.31 101.31 0.85
螺栓:8 根;直徑=22(mm);扭力係數 K=0.2
表 3.2 縮尺元件測試之摩擦力與摩擦係數(M10 螺栓，N=2)
Side View Front View 上夾鈑
轉接鈑 外覆鋼鈑&
特殊合金鈑 鋼蕊鈑 下夾鈑
圖 3.1 實尺摩擦阻尼元件設計圖
焊接12mm厚加勁鈑
上夾鈑 單位：mm -
- 正視圖
(銲長)（銲角長）
1305 9
填角銲
圖 3.2 實尺元件測試-上夾鈑細部設計圖
轉接鈑 單位：mm
圖 3.3 實尺元件測試-轉接鈑細部設計圖
焊接12mm厚加勁鈑
下夾鈑 單位：mm -
- 正視圖
(銲長)（銲角長）
1305 9
填角銲
圖 3.4 實尺元件測試-下夾鈑細部設計圖
鋼蕊鈑 單位：mm
圖 3.5 實尺元件測試-鋼芯鈑細部設計圖
外覆鋼鈑&特殊合金鈑 單位：mm
圖 3.6 實尺元件測試-外覆鋼鈑與特殊合金鈑之細部設計圖
圖 3.7 實尺摩擦阻尼元件測試組裝完成照片
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
Displacement(mm)
-60 -40 -20 0 20 40 60
Friction(tf)
圖 3.8 實尺摩擦阻尼元件之遲滯迴圈
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
圖 3.9 實尺摩擦阻尼元件之遲滯迴圈(8bolts，T=100N-m/bolt)
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
Displacement(mm)
-120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120
Friction(tf)
Average=101.31tf
圖 3.11 實尺摩擦阻尼元件之遲滯迴圈(8bolts，T=320N-m/bolt)
圖 3.12 特殊合金鈑之有效摩擦面積(灰色部分，單位：mm)
0 10 20 30 40 50
Pressure,σ (kgf/cm2)
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2
Friction Coefficient (μ)
μ=-0.0096σ+1.1244
圖 3.13 介面壓應力與摩擦係數之關係曲線
0 10 20 30 40 50
Pressure,σ (kgf/cm2)
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2
Friction Coefficient (μ)
μ=-0.0091σ+1.1762
0 10 20 30 40 50
Pressure,σ (kgf/cm2)
0 0.4 0.8 1.2 1.6 2
Friction Coefficient (μ)
Modified Lee [13]
current test
μ=-0.0084σ+1.1323
圖 3.15 介面壓應力與摩擦係數之關係曲線 (修正李【13】與實驗之比較)
Side View Front View
T型樑
外覆鋼鈑&
特殊合金鈑
下鋼鈑 對摩鋼鈑
圖 3.16 縮尺摩擦制震壁示意圖
T型梁 單位:mm
(銲長)（銲角長）
290 5 填角銲
圖 3.17 縮尺測試元件之 T 型梁細部設計圖
下夾鈑 單位:mm (銲長)（銲角長）
490 5
填角銲
圖 3.18 縮尺測試元件之下夾鈑細部設計圖
鋼蕊鈑 單位:mm
圖 3.19 縮尺測試元件之鋼芯鈑細部設計圖
外覆鋼鈑&
特殊合金鈑 單位:mm
圖 3.20 縮尺測試元件之外覆鋼鈑與特殊合金鈑細部設計圖
圖 3.22 縮尺摩擦阻尼元件測試安裝完成照片
門型鋼鈑 單位:mm
(銲長)（銲角長）
40 5
填角銲
圖 3.23 縮尺元件測試機構之門型鋼鈑細部設計圖
支撐座 單位:mm (銲長)（銲角長）
490 5
填角銲
圖 3.24 縮尺元件測試支座之細部設計圖
圖 3.25 測試支座組裝完成照片
0 200 400 600 800
Normal Force (kgf)
0 200 400 600 800
Friction Force (kgf)
P vs F N=2 N=4
圖 3.26 縮尺摩擦阻尼元件測試-正向力與摩擦力關係曲線
-20 -10 0 10 20
Displacement (mm)
-150 -100 -50 0 50 100 150
Friction Force (kgf)
Average=93.07kgf
圖 3.27 縮尺摩擦阻尼元件之遲滯迴圈(2 bolts，T=10kgf-cm/bolt)
-20 -10 0 10 20
-400 -200 0 200 400
Friction Force (kgf)
Average=193.53kgf
-20 -10 0 10 20
Displacement (mm)
-600 -400 -200 0 200 400 600
Friction Force (kgf)
Average=297.46kgf
圖 3.29 縮尺摩擦阻尼元件之遲滯迴圈(2 bolts，T=30kgf-cm/bolt)
-20 -10 0 10 20
Displacement (mm)
-400 -200 0 200 400
Friction Force (kgf)
Average=188.6kgf
圖 3.30 縮尺摩擦阻尼元件之遲滯迴圈(4 bolts，T=10kgf-cm/bolt)
-20 -10 0 10 20
Friction Force (kgf)
Average=399.94kgf
圖 3.31 縮尺摩擦阻尼元件之遲滯迴圈(4 bolts，T=20kgf-cm/bolt)
-20 -10 0 10 20
Friction Force (kgf)
Average=557.45kgf
圖 3.33 合金鈑試驗後局部產生刮痕
0 2 4 6 8 10
Pressure,σ (kgf/cm2)
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
Friction Coefficient (μ)
2 bolts 4 bolts
圖 3.34 縮尺摩擦阻尼元件測試-壓應力與摩擦係數關係曲線