風災與地震乃人類常見之天然災害。台灣因地處環太平洋地震帶及西太平洋 熱帶氣旋區，因此常遭受颱風與地震之侵襲。颱風作用於柔性結構雖不至於造成 結構的損壞，但卻會大幅降低居住的舒適度，而地震的發生則會引起大規模的結 構倒塌及人員傷亡。因此，如何研發及應用新穎的結構防震系統進行抗風減震(振) 遂成為世界各國十分熱門的研究課題。近年來，隨著材料科技的蓬勃發展，高強 度的建築材料紛紛問世，遂導致各國相繼興建許多超高層大樓，以作為都市的新 地標。高樓建築結構之設計有別於傳統的鋼筋混凝土結構，其具有質量輕、強度 高、細長(高寬比大)且自然頻率及阻尼較低等特性，故對風力所造成的擾動十分 敏感。基於安全性與舒適性的考量，風力設計往往是決定結構設計尺寸的重要因 素。如何降低風力所引起的結構變位及加速度以改善其舒適性，遂成為結構工程 控制領域之重要議題。
一般而言，要降低結構之動力反應不外乎增加結構的阻尼及改變結構的自然 頻率等方法，此即結構控制的主要目標。若依控制系統之運作需要額外提供能量 與否，可將其劃分為被動控制(Passive Control)與主動控制(Active Control)兩大 類[1]，茲分述如下：
被 動 控 制 系 統 毋 須 提 供 能 量 即 可 運 作 ， 包 括 基 礎 隔 震 (Base Isolation)[2-5]、各式消能器[6-7]，及諧調質塊阻尼器(Tuned Mass Damper, TMD)[7-9] 或 調 諧 水 柱 消 能 系 統 (Tuned Liquid Column Damper, TLCD)[65-66]。基礎隔震裝置適用於低矮的結構，主要是利用基礎與地表間之 柔性或曲面滑動支承延長結構周期以隔絕地震能量輸入上部結構，並提供阻尼以 降低隔震層之位移—如鉛心橡膠支承(LRB)與摩擦單擺支承(FPS)[10-18]。消能 器藉由高阻尼材料或易降伏之鋼材，在反覆受力變形的狀況下增加結構之消能能 力，如黏彈性阻尼器(Visco-elastic Damper)、加勁阻尼器(ADAS)及消能制震板
[19]等。諧調質塊阻尼器則是利用與主結構振頻相近之次結構系統吸收大部份振 動能量的特性來降低主結構的反應。
主動控制包括主動鋼鍵系統(Active Tendon System)、主動斜撐系統(Active Bracing System)，以及質塊制動器(Active Mass Damper, AMD)[20-27]。其中 質塊制動器係由被動式的諧調質塊阻尼器演化而來。這些控制系統的目的在於改 變結構之動力特性，特別是提高其阻尼。此外，尚有能量需求較小之半主動控制 系 統[28]，如調閥式阻尼器(Variable Orifice Dampers)及電流變異阻尼器 (Electro-rheological Dampers)等。
高樓建築對風極度敏感，尤其在超高層大樓的結構設計中，抗風設計往往是 最關鍵的技術瓶頸。為能同時滿足結構安全及舒適性的設計要求，常須採用結構 控制技術加以克服。過去二十年中，調諧質塊阻尼系統是高樓抗風設計最常用的 結構控制系統[29-30]，如加拿大多倫多 553 m 高的 CN Tower，美國波士頓 60 層高之John Hancock 大樓，澳洲雪梨 305 m 高之 Center-point Tower 及 508 m 高的台北101 大樓(圖 1.1)等。惟近年來，TMD 有逐漸被調諧液態消能系統(Tuned Liquid Damper, TLD)取代的趨勢，其中又以調諧水柱消能系統(Tuned Liquid Column Damper, TLCD)的應用最具濳力。TLD 有利於取代傳統 TMD 的條件包 括：
z 維修需求低 (Less maintenance) — TLD 毋須額外提供勁度及阻尼等機 械裝置，需維修之項目較TMD 少。
z 具雙重功能 (Dual functions) — TLD 兼具抗風與消防功能；TMD 則無消 防用途。
z 經濟效益高 (Cost-Effective) —TLD 系統構造簡單，可因地制宜利用既 有之消防蓄水，毋須額外提供質塊，可節省工程及材料費；TMD 則無 此條件。
z
技術已成熟 (State-of-the-Practice) —近年來有關 TLD 之理論已趨完 備，不確定因素降低，有利於工程應用與推廣。TLD 又分為調諧水波消能系統(Tuned Sloshing Water Damper, TSWD)與 調諧水柱消能系統(Tuned Liquid Column Damper, TLCD)，如圖 1.2 所示。茲 將TSWD 系統與 TLCD 系統之運作原理及其應用案例說明如下：
TSWD 主要是藉由水槽之幾何形狀與儲水深度調整其自然頻率，並透過篩 網製造紊流產生消能作用。TSWD 依據水深與水運動方向長度之比值可分為淺 水阻尼器與深水阻尼器，若比值小於 0.15 則視為淺水阻尼器。淺水阻尼器藉由 流體的黏滯性與水面波的破壞提供消能的機制；深水阻尼器則是藉由設置隔版來 增加阻尼。目前日本橫須賀市的Shin Yokohama Prince Hotel (SYPH)及千葉市 的Gold Tower 均使用 TSWD 系統進行抗風減振。Gold Tower 於結構頂樓(高度 158m)安裝 16 組 MCC Aqua DamperTM(圖 1.3)，其為一盛水的方形容器，並在 容器中加裝多重鋼絲網，用以增加Aqua Damper 的消能能力。16 組 MCC Aqua DamperTM的總重量為10ton，約為塔總重的 1%。
TLCD 系統最早被應用於船舶與海岸結構的晃動控制，主要藉由 U 型連通 管內含之水柱總長度(有效長度)調整其自然頻率，並藉由閘門、孔口板(orifice) 或變化斷面製造落水頭損失(headloss)而產生消能作用。相較於 TSWD 系統而 言， TLCD 系統整個 U 型連通管內之水柱均為有效質量，因此控制效能較佳。
有關TLCD 的研究課題在 90 年代蔚為風潮，Saoka 等人[31]首先推導水柱消能 系統之運動方程式，隨後由Sakai 等人[32]經由一系列的試驗加以驗證，其結果 顯示，TLCD 系統的阻尼為非線性阻尼，其大小與落水頭損失及液體激盪速度的 平方成正比。此外，試驗的資料進一步指出，孔口阻尼(orifice damping)的非線 性度(nonlinearity)並不顯著，因此對於窄頻寬(narrow-band)的反應可利用等效 線性(equivqlent linearization)[33,34]的方法進行分析。Sakai 等人更將 TLCD 系統應用於斜張橋塔之振動控制(圖 1.4)，以增加其穩定性，為土木結構應用的
首例。Xu 等人[35]亦評估以 U 型 TLCD 系統應用於細長結構受到零均值平穩高 斯(zero-mean stationary Gaussian process)風力作用的減振效益，分析時將運動 方程式中的非線性孔口阻尼項以一等效阻尼係數取代，因此可求得輸入與輸出之 頻域反應函數，並將分析結果與TMD 控制的結果進行比較。分析結果顯示，結 構以TLCD 系統進行控制的反應折減率可達到以 TMD 控制的效果。Hitchcock 等人[36]根據 U 型 TLCD 系統的運作原理發展液態水柱振動消能器(Liquid Column Vibration Damper, LCVD)，可依據所需之減振效果調整水平段斷面積 與垂直段斷面積的比例(變斷面系統)。文中探討面積比(垂直段斷面積/水平段斷 面積)、垂直斷水柱高度、水平段長度及初始擾動振幅等參數對於 LCVD 之振動 頻率及阻尼比的影響。Balendra[37]探討 TLCD 應用於高塔結構抗風的研究，其 結果顯示，當TLCD 系統與結構之振動頻率一致時，TLCD 具有良好的控制效果，
且孔口板開孔比在1.0 與 0.5 時，TLCD 系統之減振效益最佳。Gao[38]及 Chang、
Hsu[39]則進行 TLCD 系統之最佳化參數設計分析，並評估其控制效益。由 Gao 的研究結果顯示，當結構受簡諧擾動時，TLCD 系統對於結構的峰值反應具有良 好的折減效果。Xue 等人[40]利用 TLCD 系統針對橋面板受到風力作用所產生的 扭轉運動(pitching motion)進行控制；Won[41]及 Sadek[42]則探討以 TLCD 應 用於結構防震的性能表現。由於結構受到環境擾動的作用可能產生兩正交側向振 動及扭轉反應，因此可將兩組TLCD 分別置於兩正交軸向進行控制。此外，Shum 等人[43]則提出多重調諧水柱消能器(Multiple TLCDs)之設計，俾便同時控制結 構數個振態的反應，如此不僅可降低每個 TLCD 的尺寸，使建造及安裝更為容 易，並可於有限的空間上進行較佳的配置設計，以提升控制效果。Yalla 等人[44]
利用半主動TLCD 系統進行結構振動控制，根據結構的振動反應利用模糊(fuzzy) 控制法則調整閥門(valve)的開孔大小，以達到較佳之減振效果。Chen 等人[45]
則提出主動式 TLCD 系統針對單自由度擺動結構模型進行振動控制之理論分析 與試驗驗證。主動控系統是由伺服馬達及螺旋槳(propeller)所構成，馬達驅動螺
分別討論TMD、TLCD、LCVA、C-TLD（圓柱）及 R-TLD（矩形）等系統應用 於高樓結構抗風減振之效益評估。沈瑛璋[65]建立一套結構受風力作用時之 TLCD 最佳參數設計表格，工程師進行 TLCD 之設計時可據以得到 TLCD 之水頭 損失係數與頻率比等參數之最佳設計值。陳連杰[66]則利用變斷面 VTLCD 系統 針對單層樓鋁構架進行參數研究及振動台試驗，其結果顯示，當水平段長度與有 效長度之比值為β=0.55~0.75 時，減振效果較佳。
目前亞洲及北美地區應用 TLCD 的高樓抗風工程，主要均由日本及加拿大 各一家公司承攬，這些案例在2000 年前後已陸續完成。舉例來說，在亞洲地區 完成的新建工程包括：
日本東京的 Cosima 旅館(圖 1.5)—該高樓建築為 26 層之鋼骨建築，總高 106.2m，屬細長型結構，易為風力誘發振動，故於頂樓安裝一組 TLCD(重約 58 噸)作為抗風之用。根據 Shimizu and Teramura11的研究顯示，裝設TLCD 可降 低該大樓之加速度反應達50-70%。另外，東京的千禧塔(Millennium Tower，
圖1.6)、大阪的 Hyatt 旅館以及 Ichida 大樓都安裝了 TLCD。
北美地區，有溫哥華Wall Center 住宅大樓[46](48 層，圖 1.7)安裝 TLCD 進行結構抗風減振(總用水量約為 600 噸)，該 TLCD 系統，除可降低風力振動 反應，改善住戶的舒適性外，亦可兼作緊急消防用水之功能。此外，在美國應用 TLCD 系統之案例包括紐約的 Random House 及芝加哥 South Dearborn 等大 樓。此外，煙囪、高塔均可安裝TLCD 系統進行抗風減震，如圖 1.8 所示，TLCD 系統可應用之領域極為廣泛。
茲歸納TLCD 系統在實際應用時較 TSWD 系統有利的條件如下：
z 概念簡單 (Conceptually simple) —TLCD之動力行為可模擬成單自由度 系統；TSWD的理論分析模式則較複雜，結構動力特性不易掌握。
z 調頻容易 (Eazy-tuning) —無論是TLD或TMD，均係利用結構動力學原
理—當控制系統與結構產生共振時，結構振動的能量轉移至控制系統而 達到減振作用，調頻(frequency-tuning)之精準度將影響控制效能。TLCD 之自振頻率只與水柱之總長度有關，動力特性明確，容易決定；TSWD 具多重振頻，動力特性不易調控。
z 效能佳 (Efficient) —TSWD只有接近水槽表面部分之液體因激盪運動 (sloshing motion)而有減振貢獻；TLCD則整個U型連通管內之水柱都為 有效質量。換言之，TLCD可以較少的水量達到較TSWD更佳之控制效 能。