1.1 前言
台灣、日本與美國等均位於環太平洋地震帶上，因此地震發生的頻率 相當頻繁，而地震之危害更是令人怵目驚心。近年來發生之大地震如美國 北嶺地震(1994)、日本阪神地震(1995)、土耳其伊斯坦堡地震(1999)、台灣 集集地震(1999)、薩爾瓦多大地震(2001)及印度大地震(2001)等均造成諸多 建築結構損毀、人民生命財產及國家經濟發展均遭受到嚴重的衝擊。曾以 世界隔減震技術最先進的國家而自豪的日本，在 1995 年阪神地震中，仍 造成建築結構嚴重的破壞與傷亡；1999 年 9 月 21 日台灣中部地區亦因車 籠埔斷層發生逆衝式錯動，而引發芮氏規模 7.3 級的強烈地震，亦造成人 員嚴重傷亡及建築物的毀滅，特別是座落於斷層附近之建築物更遭到嚴重 之破壞。故研擬座落於近斷層結構物之減震方法，是當前地震工程研究的 主要議題。
1.2 研究動機與目的
近年來蒐集到的地震紀錄中—包括美國北嶺地震(1994)、日本阪神地 震(1995)及國內的集集大地震(1999)，皆顯示近斷層地震波含有長週期之速 度脈衝，其對結構物造成之傷害可能更甚於地表加速度的影響 【1-3】。近 斷層結構物之地震危害度原本就高於其它地區【4-6】，近斷層結構之耐震 設計應該更為嚴格，傳統之韌性設計似無法確保結構之安全。
近年來，由於材料科技的進步，各式隔震、消能的結構減震裝置相繼
基礎隔震為結構抗震的有效方式之一，其設計方法是以低水平勁度之隔震 系統，來延長結構週期以降低結構所承受之地震力，不但可應用於新建之 結構物，亦能用於老舊房屋、橋梁之耐震補強。隔震建築歷經北嶺地震與 阪神地震等大地震之考驗，證明其優異之耐震表現，顯示人類在面臨『毀 滅性』強烈地震時，並非束手無策。而隔震技術應用於土木結構至今已近 二旬，隔震建築結構在先進國家已逐漸普及【7-9】，有關基礎隔震的設計 條文也已納入各國之建築規範中，如我國建築物耐震設計規範、美國 FEMA-274(1997)規範、UBC97 規範…等等。
隔震建物之減震效果在國外雖然已見到實際成功之案例，但由於近斷 層震波之獨特性，使得專家、學者對於近斷層區域，隔震建築物是否能夠 達到如在遠域震波作用下之減震效果產生懷疑，而且在隔震層巨大位移的 作用下，隔震結構物之穩定性與安全性仍有極大之疑慮。按國內外相關文 獻之記載，包括921 地震震波資料之佐證，近域震波相較於遠域震波具有 下列三種特性【10-18】：(1)垂直向與水平向加速度反應譜之比值較大 (2) 尖峰地表加速度值極大 (3)具一長週期之速度脈衝，其中又以長週期的速 度脈衝最為關鍵。921 地震中位於斷層附近的建築物嚴重毀損之原因，極 有可能是在前述近斷層震波特性作用之下所造成的結果。長週期速度脈衝 在斷層線之法線方向上尤其顯著，對長週期結構物之影響不容輕忽。
一般高層建築物或隔震結構之週期大都介於2~3 秒之間，恰好落於近 域震波之速度脈衝常見之週期附近，因此儘管隔震支承(如摩擦單擺支承, (FPS)如圖 1.1 所示)，對於遠域震波有優越的減震效果，但在具有長週期速 度脈衝之近斷層震波作用下，可能會與結構產生共振，而使得結構物反應 放大，不見得可行。具體而言，近斷層震波對於隔震結構物之影響有：加 大隔震基礎層的水平位移量、增加柱腳對隔震墊之軸向壓力、可能使結構 產生傾覆。另外，對滑動摩擦隔震系統而言，垂直地震力會改變起始滑動
的摩擦力(或降伏力)，使最大水平位移量與隔震支承之消能能力皆受影響。
「晃動機制」提供吾人另類之抗震模式思考方向，藉由結構物基層與 基礎間之不連續介面，使結構物在地震大到一定程度時，產生晃動而改變 其邊界條件，瞬間釋放柱基的抗彎力矩，進而截斷地震力之傳輸，防止結 構物產生過度之撓曲變形，並除去基礎抵抗拉拔力之負擔。廣義而言，晃 動機制亦可歸類為一種隔震系統。搖晃運動本身具有消能之特性，且晃動 系統之振動頻率隨晃動角度大小而改變，因此並無固定之自然頻率，不容 易被地震波之特定擾動頻率「鎖定」而產生共振，有助於強化近斷層建築 結構物之防震能力；但為確保晃動結構不會因為地震強度過大而發生傾到 之情形，故在設計上仍須考慮晃動系統之穩定性，以防止結構物有傾倒的 情形發生。
有關結構物晃動行為之研究，最早可回溯至 19 世紀。在地震強度記 錄儀器尚未發明的時代，當時人們利用墓碑或紀念碑等塊體，觀察其在地 震過後是否有傾倒的情形，來判定地震之強度。此外，1960 年智利地震中 多數固定於基座之水塔遭受嚴重的毀損，而少數水塔其基座採用類似高爾 夫球座(golf-ball-on-a-tee)之設計者，在地震時雖有出現晃動之現象，但卻 幸運地未遭受到破壞。而1963 年 Housner【19】首先針對此一現象提出倒 單擺剛性質塊之晃動行為分析，由其研究結果得知，剛體晃動為一高度之 非線性行為，且其振動之反應有衰減的趨勢。後續對於晃動系統亦有諸多 研 究(Yim.et.al.1980 ； Chopra and Yim 1985 ； Psycharis1991 ； Xu and Spyrakos1996)【20-23】，先後確認了晃動行為有助於降低結構受震反應之 現象，提供吾人應用晃動橋柱系統於橋樑抗震之理論基礎。此外，應用晃 動機制於結構減震之研究亦見於Beck 和 Skinner【24】的報告，後續相關 研究亦證實晃動機制有助於結構之減震【25-28】，提供吾人應用晃動機制 於建築結構物的防震基礎。由於晃動結構係交替變換其兩端柱腳為支點作
來回運動，有如人站在原地踏步一般，因此又可稱之為「踏步隔震」(stepping isolation)，最具代表性之應用實例為紐西蘭基督城機場(Christchurch Airport)
【29】的一座煙囪結構，以及 1981 年通車之「南．朗吉塔克依高架橋」(South Rangitikei Viaduct)如圖 1.2 所示【30】。
有鑑於近斷層之震波具長週期的速度脈衝、尖峰地表加速度大、以及 垂直向與水平向地震強度之比值較大…等特性，使得結構之防震設計難度 增加，傳統韌性設計或基礎隔震未必可行須作特殊之考量【31】。本研究 嘗試提出「晃動式隔震系統」，利用「晃動隔震」之設計作為房屋結構之 防震系統。由於結構之搖晃行為十分複雜，在實際應用前，對於相關理論 及其動力特性需有更充分之掌握，俾能作最經濟而有效的設計。
1.3 本文內容
前人有關晃動結構之研究多著重於探討結構基礎在強震發生時，會有 抬升之現象，此現象可提供結構有效之減震效益，但並未針對近斷層地震 波之特性進行研究分析。晃動行為具高度之非線性，在地震過程中，由於 整體結構之行為交替變換於晃動與非晃動狀態之間，而益增系統之複雜 性。
為深入了解晃動機制，第二章先針對剛性質塊之自由晃動與地震反應 進行分析以掌握其動力特性；第三章進而建立晃動隔震機制應用於彈性結 構之理論分析模式，並評估其在近域震波作用下之減震效益及晃動系統之 穩定性；第四章將考慮晃動隔震加裝液態黏滯阻尼器來提高結構在近域震 波作用下，晃動系統之穩定性；第五章，將進一步建立多樓層彈性結構晃 動隔震分析模式，並評估其受近斷層震波作用下之減震效益。