結構系統參數識別

本研究將針對地震模擬振動臺試驗與實測地震反應資料進行結構系 統參數識別之研究。其中，振動臺試驗係針對一五層樓鋼構模型，利用其 於輸入擾動作用下，各樓層所量測到之加速度反應進行分析；實測地震反 應則針對國家地震中心辦公大樓在921(1999)與 1022(1999)地震之實際量 測加速度歷時資料進行分析。

2.6.1.1 五層樓鋼構架模型參數之識別

針對一五層樓之鋼構架(如圖 2.1)進行其動力參數之識別，並利用交通 大學土木結構實驗室之單軸向地震模擬振動台(如圖 2.2)進行試驗。五層樓 鋼結構系統模型平面為2m 2 m，結構總高度為6.7m，重約 4.2tf 之二分之 ㄧ縮尺鋼骨房屋結構模型，該鋼構模型之系統參數如表 2.1 所示。本試驗 將以結構之弱向為測試方向，故架設結構時柱之弱軸方向係與振動台運動 方向平行。除此之外，並於各樓層安裝地震加速規以量測各樓層於地震擾 動下之加速度反應。

試驗時，選取El Centro 地震波作為輸入擾動，並調整其尖峰地表加 速度(PGA)為 0.1g 進行分析，此外，由於交大地震模擬振動臺為一位移控 制之系統，且其致動器最大行程為125mm，故無法有效的模擬出真實之El Centro 地震波。因此，吾人需將 El Centro 地震波之時間間隔(t)從原本 之0.02sec壓縮至0.01sec，並且將其加速度訊號積分為位移訊號作為實驗時 之輸入指令(Command)。圖 2.3 為試驗時，振動臺臺面以及五層樓鋼構各 樓所量測到之絕對加速度反應。

吾人將利用單一輸入-多重輸出(SIMO)之 ARX 模式識別出結構系統

之動力特性，其中，ARX 識別模型之參數選用n_a 50、n_b 50、

 

M、C與K分別為系統之質量矩陣、阻尼矩陣與勁度矩陣 Hachinohe 兩不同地震波作用下之結構反應。試驗時，兩不同地震波之時 間間隔t皆取0.02sec，而兩地震波作用下，地震模擬振動臺臺面所量測到

之加速度歷時反應如圖2.8 所示，另外，各樓層於兩地震波作用下所產生 之絕對加速度歷時反應與模擬預測之反應比較圖可分別如圖2.9 與圖 2.10 所示。由結果顯示，兩種不同地震波作用下，預測結果與量測結果仍十分 接近，顯示由式(2.52)與式(2.53)所推求之阻尼矩陣與勁度矩陣確實可準確 地反應出真實結構之動力反應。

2.6.1.2 國家地震中心辦公大樓之參數識別分析

針對國家地震工程研究中心辦公大樓(NCREE)作為系統識別分析的 對象(圖 2.11)，此結構樓高六層，其平面圖及強震儀配置圖如圖 2.12 所示。

地震量測記錄則考慮使用 921 集集地震(1999)與 1022 嘉義地震(1999)發 生時，強震儀所量測到之加速度歷時訊號做為結構系統識別之輸入與輸出 反應。

系統識別分析可分別針對結構之X 向及 Y 向(長向及短向)兩個方向進 行。在X 向方面，吾人選取地下室天花板之加速度訊號(Channel 7 之訊號) 作為輸入訊號(input)，取一樓、三樓及六樓樓板之加速度訊號(Channel 10、Channel 13 與 Channel 16 之訊號)作為輸出訊號(output)。而在 Y 向 方面，吾人選取地下室天花板之加速度訊號(Channel 8 與 Channel 9 訊號 之平均值)作為輸入訊號，取一樓、三樓及六樓樓板之加速度訊號(分別為 Channel 11 與 Channel 12 訊號之平均值、Channel 14 與 Channel 15 訊號 之平均值及Channel 17 與 Channel 18 訊號之平均值)作為輸出訊號。而圖 2.13~2.16 分別為兩不同地震地震作用下時，強震儀所量測到結構兩方向 之加速度訊號歷時反應。進行識別時，ARX 系統識別模式之階數採用

50

 _b

a n

n 、

 

經識別所得之結構於兩不同地震作用下，各樓層兩方向之加速度傳遞

函數與對應之相位角分別如圖2.17 與圖 2.18 所示。表 2.3 與表 2.4 分別為 為921 地震及 1022 地震各樓層加速度訊號採用 SIMO 模式識別所得之頻 率及阻尼比，兩次地震所得之 X 向第一模態頻率分別為 4.05Hz 及 3.76Hz，Y 向第一模態頻率分別為 3.32Hz 及 3.50Hz。此外，X 向之第一 模態阻尼比為9%及 12%，Y 向之第一模態阻尼比則為 7%及 6%。圖 2.19 與圖2.20 分別為兩地震作用下，結構兩方向識別過程中之頻率歷時變化。

由結果顯示，兩方向識別所得之頻率收斂皆非常快速，短時間內即趨於一 穩定值。

圖 2.21 為國家地震中心辦公大樓於 921 地震作用下，結構 X 向與 Y 向之量測結果與識別預測結果之比較。其結果顯示，二者契合的程度相當 高，說明以SIMO 模式識別所得之結構動力特性仍十分可靠。另外，改以 1022 地震時，天花板之強震儀所量測之訊號作為結構系統之輸入(圖 2.15 與圖2.16)，並利用 921 地震識別所得之係數(a_i與b_i)進行預測 1022 地震 下各樓層之加速度歷時反應，預測結果如圖2.22 所示。由結果發現，預測 結果與量測結果仍十分接近，顯示結構經歷兩次地震擾動後其結構動力特 性並無顯著的變化，且識別所得之係數(a_j's與b_j's)足可反應結構之真實反 應。

圖2.23 為國家地震中心辦公大樓於 1022 地震作用下，結構 X 向與 Y 向之量測結果與利用 921 地震識別所得之係數(a_i與b_i)預測結果之比較。

其結果顯示，二者契合之程度亦相當高，說明以SIMO 模式識別所得之結 構動力特性仍十分可靠。圖2.24 為利用 1022 地震識別所得之係數(a_j's與

s

b_j' )以 921 地震天花板之強震儀訊號作為輸入，預測 921 地震下各樓層之 加速度歷時反應。同樣地，預測結果與量測結果仍十分接近，顯示結構經 歷兩次地震擾動後其結構動力特性並無顯著的變化。