緒論 - 基於挫屈及摩擦機制之位移型抗震阻尼器的試驗研究

近年來全球災難性大地震不斷發生，如美國北嶺地震（1994）、日本阪神地震（1995）、台灣集集地震（1999）、南亞大地震（2005）及中國汶川大地震（2008）

等，造成大量死傷及房屋結構、橋樑的倒塌，令人怵目驚心。強震所引致的交通電訊中斷、設施功能癱瘓而導致之經濟停頓、市場流失等中長期經濟損失更難以估計；加上數萬災民無家可歸所衍生的社會問題，人民對政府的不信任感以及國家整體競爭力的衰退等層面的影響，均嚴重衝擊國家社會的發展。

長久以來，結構耐震設計一直採行韌性設計的概念，允許結構物在強震時產生局部破壞，利用結構物之構件強度、勁度與塑性變形，來抵抗地震力以及消弭地震傳入結構的能量，確保結構在強震下不至於倒塌。惟其前提是結構構件的破壞模式須為彎矩破壞，且有足夠之韌性才行。然而觀察地震災情，結構設計所期望之塑性破壞模式從未發生。對鋼結構而言，鋼材本身雖具有良好之韌性，然而其最大問題在於梁柱接頭部分，若梁柱接頭設計不當或施工不良，塑性角往往會提早破壞，整體構架之韌性便大打折扣。對鋼筋混凝土結構而言，增加箍筋的用量固可提升結構之韌性，惟此舉容易增加施工與澆置混凝土的困難，因此整體結構之韌性往往不如原先之期望。儘管房屋結構採用「強柱弱梁」之設計構想，俾形成較有利之破壞機制，實際上卻因樓板的加勁作用或短柱效應反成「弱柱強梁」

之勢，結構的韌性往往未能充分發揮。有鑑於此，耐震設計必須朝更為積極之「功能設計」方向去思考，「結構控制」觀念的應用便提供了這樣的可能性。

結構振動控制設計揚棄傳統抗風耐震設計之概念，於傳統結構系統之外裝設控制元件，經由適當的配置方式巧妙地消散外力輸入結構之能量，將結構在風力或地震力作用下之振動反應降低至可容忍的範圍內。近年來，隨著電腦科技與材料技術的進步，各種創新之結構隔震與消能裝置如雨後春筍般相繼研發出來，包括基礎隔震、消能減震及主動/半主動控制系統【1-5】。其中，基礎隔震與消能減震設計等屬於被動控制之系統，因毋須額外的動力供給、設計簡單、機構行為容易掌握，較具發展潛力。

基礎隔震在滿足特定之條件下，不失為有效的建築防震工法。目前，美國加州、日本及台灣﹙如慈濟的幾個分院﹚等位於強震帶的國家已有不少醫院建築採用這種設計。隔震設計藉由柔性的隔震支承延長結構基本周期—設計目標通常為 2~3 秒之間，避開地震的主要振頻以隔絕地震力的傳輸路徑，降低結構所須承受之地震力，其概念清楚簡單，將「以柔克剛」之哲理發揮得淋漓盡致。惟應用隔震設計有其前提，並非所有場址、任何型式的建築都能適用。台灣目前所完成或擬推出的隔震建築案例，有些潛藏的問題未被揭露，應予正視。這些問題包括：

1.建案地點不對

隔震設計要能成功的基本條件，是地震波的主要頻率內涵須為短周期，這與地質條件有關。盆地之地盤基本振動周期都屬長周期－如墨西哥為 2 秒、台北盆地為 1.65 秒，先天上都不宜採用隔震設計。台北目前有不少採用隔震設計之建案，凡識者皆期期以為不可。

2.結構特性不宜

即便地質條件容許，隔震設計也僅適用於低矮樓房。凡十層﹙含﹚以上之高樓，或高寬比 3﹙含﹚以上之細長型建築結構，其基本周期相對較長，不必也不宜採用隔震設計。儘管從設計反應譜來看，十層樓以上之建物仍有將周期延長到 2 秒以上而降低設計地震力的空間，惟其減震的實際效益十分有限，無論從技術上或經濟上來衡量，隔震設計都不是最佳的選擇。

3.隔震層設置錯誤

台灣有些隔震建築的設計，或遷就於既有建物之限制，或考量建築空間規劃的方便，乃將隔震層設置於一、二樓或二、三樓之間。事實上，地震時隔震建築之位移主要集中在隔震層。每一組隔震支承的承重可能上千噸，在側位移很大的情況下，對其下方的柱子將產生很大的二次應力效應，進而造成底柱之破壞。由於分析軟體所依據之材料力學理論，係假設結構構件為微小變形的條件下所發展而來，因此這些因隔震支承在大變形下所引致的二次應力效應，並不會反映在分析結果中，此將導致隔震層下方的「下部結構」設計考量不足，甚至無法克服的設計難題。

4.測試方法有疑慮

內政部營建署公佈之「建築物耐震設計規範及解說」【6】第九章隔震建築 物設計 9.5 節有關隔震元件之試驗方法，係參考 AASHTO 橋梁支承之測試規範而 來。惟橋梁支承的測試條件與實際狀況差別不大，因此其測試結果有足夠之代表性；建築結構比起橋梁要複雜得多，建築隔震支承有許多行為無法完全於橋梁支承的測試方法中反映出來，吾人一廂情願將問題過度簡化的結果，相對增加了隔

震建築的不確定性與風險。此外，「建築物耐震設計規範及解說」9.2 節之相關 設計條文係假設隔震建築為剛體。惟無論隔震的效果有多好，建築物之上部結構都不可能是剛體，因此相關設計條文僅能作為初步設計之參考，無法準確預估隔 震系統的實際受力行為。惟「建築物耐震設計規範及解說」9.5 節有關隔震元件 之實體試驗與性能保證試驗之測試及檢核標準，係根據「建築物耐震設計規範及 解說」9.2 節之計算結果，其應用固然簡單，但分析結果能有多少代表性實無人 可以保證，即便照章通過測試，也無法確保隔震支承滿足設計要求。

5.可靠度問題

隔震設計的可靠度，除了前述有關設計及測試等不確定性之影響外，還有施工以及材料物理特性的不確定性。施工的不確定性來源包括定位的精準度、施工程序等，材料的不確定性來自長期的高壓載重及老化等影響—每一棟建物至少使用五十年以上，如何確保經過多年之後，隔震支承材料的性能仍如設計之初呢？

這些因素會不會破壞隔震支承的完整性，恐怕都不是吾人一廂情願就能高枕無憂。長期的維護，無疑是住戶的沉重負擔；隔震支承的更新，更是談何容易！再則，由於各組隔震支承所承擔的載重都不一樣，長時間之潛變將導致不規則沉陷，其對於隔震建築的耐震表現以及結構安全的影響，目前尚無相關之研究，吾人只能針對現有之隔震建築進行長期觀察了。

另一方面，消能減震乃利用額外的消能裝置與結構適當地結合，而將結構在地震作用時的層間位移或相對速度轉換為消能裝置的驅動機制，使其吸收地震能量，進而提升結構的耐震能力。消能減震工法有較佳之可靠度與經濟性，近年來

已廣為業界所接受。就物理及振動力學原理而言，凡構成吸能阻尼材料或裝置者，其機構至少必須滿足下列兩個基本要件之一：

a.塑性變形：利用金屬材料之大幅度變形使其承受之應力超過該材料降伏強度，而由彈性行為進入塑性變形，繼而在往復運動中產生吸能之作用者。由於其阻力之大小與構件之位移變形有關，一般稱之為

「位移型消能元件」，如金屬降伏阻尼器 ﹙Metallic Yielding Damper﹚、挫屈束制斜撐（Buckling Restrained Braces，BRB）等。

「位移型消能元件」除了提供消能機制，對結構也有加勁作用。

b.流阻特性：利用阻尼裝置組成構件間之相對運動，間接驅動其內含流質或半固態材料之流動而產生阻力，或材料本身之黏滯性而產生對於振動之阻抗力者。由於其阻力大小與流體之流動速度有關，一般稱之為「速度型消能元件」，如黏滯性液流阻尼器﹙Viscous Fluid Damper﹚。

此外，有些高分子橡膠﹙Polymer Rubber﹚兼具彈–塑性變形與黏滯性，可在往復運動中產生消能作用，其阻抗特性與「速度型消能元件」類似，但對結構具有加勁作用，又與「位移型消能元件」相似。此類消能器的典型代表為黏彈阻尼器﹙Visco-elastic Damper﹚，過去以美國 3M 公司所發展的 VE 材料最負盛名

【7】。惟 VE 為高分子材料，其機械及化學性能並不穩定，耐久性堪虞。另一方面，利用摩擦消能原理而發展之「摩擦阻尼器」，因其消散能量與摩擦介面之相對位移成正比，故「摩擦阻尼器」亦可被歸類為「位移型消能元件」。摩擦阻尼

器主要透過摩擦介面之摩擦力與相對滑動位移所作的負功，達到消散地震能量之目的，其運作與速度及溫度無關，性能不受溫度變化的影響，且其出力可維持定值，設計概念十分簡單。

茲針對常見之各式消能減震阻尼器優缺點，進一步討論如下：

1.液流阻尼器

液流阻尼器（圖 1.1）對於瞬間爆發之衝擊力控制效果極佳（如太空梭發射基座的減振），過去長期使用於軍事與航太工業上，予人高科技產品的良好形象。液流阻尼器設計強度的範圍極大，可由數百公斤至上千公噸。然而，液流阻尼器在長期使用上有油封老化漏油之虞，須定期維護保養（美國加州公路局及核能電廠均深受其害）。此外，阻尼器內部用油之黏滯性會隨溫度升高而降低，其減振性能亦隨溫度升高而遞減。再則，阻尼器活塞桿的軸心須與斜撐斷面形心完全重合，才能確保活塞運動不產生額外之撓曲變形，若定位上稍有偏

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