縮尺預彎拱鈑之元件測試

由預彎拱鈑之非線性彈性挫屈理論分析，顯示預彎拱鈑之軸力與位移關係呈 非線性，且其彈性挫屈勁度呈現拉、壓力不對稱的行為。因此，預彎拱鈑之縮尺 元件測試的主要目的，在於確認預彎拱鈑在往復載重下，是否亦如彈性挫屈理論 所呈現之拉壓不對稱特性，並進一步了解預彎拱鈑之遲滯消能行為。本研究後續 將以預彎拱鈑為核心，結合型鋼組成韌性斜撐，並將其安裝於五層樓鋼結構模型 中進行耐震性能測試。縮尺預彎拱鈑元件乃針對該五層樓鋼結構模型所設計，此 將有助於吾人在性能測試前，先行掌握縮尺預彎拱鈑元件之力學特性與行為，作 為耐震性能測試相關設計與動態模擬分析之參數設定依據。

3.2.1 試驗架構（Experimental Setup）

縮尺預彎拱鈑元件測試之試體尺寸、測試構架及試驗規劃分述如后：

„ 試體尺寸

縮尺寸預彎拱鈑元件測試共設計三種不同厚度(t=1mm、2mm、及 3mm)，

以探討不同鈑厚預彎拱鈑的遲滯消能行為。縮尺元件測試之試體尺寸如表 3.1 所示，其編號分別為 SDt1、SDt2 及 SDt3，其中 SD 代表 Scaled-Down；t1、t2 及 t3 分別代表鈑厚為 1mm、2mm、及 3mm 之預彎拱鈑。各組試體之細部設計 如圖 3.1~3.3 所示。

試體所採用之鋼材為

„ 元件測試構架

元件測試構架之設計如圖3.4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，並於測試構架上安裝一荷重元（Load Cell）

以直接量測預彎拱鈑之反力；預彎拱鈑之軸向位移係由致動器內建之位移計

（LVDT）直接量測而得。測試時將兩片預彎拱鈑採左右對稱之配置方式安裝 於測試構架之反力座上。圖3.5為組裝完成之測試構架。

„ 試驗規劃與量測系統

為瞭解預彎拱鈑的力學特性及其遲滯消能行為，本研究規劃以簡諧波進行 一系列之元件測試，測試項目考慮測試頻率及位移兩項參數之不同組合，共計 七種不同測試頻率（0.1Hz、0.2Hz、0.3Hz、0.4Hz、0.5Hz、0.8Hz 及 1.0Hz），

每一測試頻率均包含八種不同振幅（1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、

7mm、8mm），每一測試組合均進行 120 秒之測試。

縮尺預彎拱鈑之元件測試所使用儀器設備（如圖3.6~3.8）及規格摘錄如下：

(A)1.5tf油壓致動器：用以提供預彎拱鈑軸向拉、壓力加載

Model Number: 244.11

Maximum Force: 3.3 kips (150 kN) Static Stroke: 7.2 in (182.88 mm) Dynamic Stroke: 6.0 in (152.4 mm) (B)5.0tf荷重元：用以量測軸力

Type: JIHSENSE S- type Load Cell S-5000 Rated Capacity: 5000kgf

Excitation Voltage : 12V

(C)訊號擷取系統：IMC(SPARTAN-L)

Analog input：16 differential channels Sum sampling rate：20kHz

Max. sampling rate per channel：10kHz Noise：input shorted, 9.0mV rms

A/D converter resolution：16-bit (D)筆記型電腦：供資料儲存與分析之用

COMPAQ (Mobile Intel(R) Pentium(R)) 4-M CPU 1.80GHz

265MB RAM

3.2.2 試驗結果與討論

„ 初步試驗（Preliminary test）

試體 SDt1（鈑厚 t=1mm）於固定擾動振幅（s=1mm）並變換不同擾動頻 率下所得之遲滯迴圈如圖 3.9 所示。其結果顯示，當擾動頻率為 0.1Hz 時，預 彎拱鈑之軸力與位移關係幾乎呈線性關係，遲滯消能面積為零，表示預彎拱鈑 仍處於彈性範圍內。然而，隨著擾動頻率增快，其力－位移關係逐漸形成橢圓 形之遲滯迴圈。圖 3.10~3.11 分別為試體 SDt2（鈑厚 t=2mm）及 SDt3（鈑厚 t=3mm）之預彎拱鈑於相同測試條件下之結果，其消能特性與試體 SDt1 所得 之遲滯迴圈具有類似之變化情況，即遲滯消能面積隨著擾動頻率增加而變大。

由於預彎拱鈑係由金屬鋼板所加工完成，其消能特性係源於材料之降伏，

理論上應與位移相依而與速度無關。顯然，預彎拱鈑隨著擾動頻率增快而產生 的遲滯消能行為應為 1.5tf 動態油壓致動器的阻尼特性所致。由於縮尺預彎拱鈑 與 1.5tf 油壓致動器均屬出力較小的系統，故當油壓致動器快速運作時，其自身 所產生的阻尼力對於測試結果會有較大程度的影響。因此，為了避免油壓致動 器的影響造成試驗結果的誤判，後續有關縮尺元件之試驗將以 0.1Hz 之擾動頻 率進行，使其接近靜態加載條件，以排除油壓致動器的影響。

„ 遲滯消能特性

試體編號 SDt1 之預彎拱鈑在簡諧擾動 0.1Hz 測試頻率、不同振幅下所得 之遲滯迴圈如圖 3.12 所示。其結果顯示，預彎拱鈑於週期性荷載下呈現穩定的 消能特性，且隨著擾動振幅增大，預彎拱鈑之遲滯消能迴圈更趨飽滿。此外，

預彎拱鈑之勁度變化亦呈現與前述非線性彈性挫屈理論所預測的，隨軸拉位移 之變大而增加，且隨軸壓位移之增大而降低。試體 SDt2 及 SDt3 在簡諧擾動 0.1Hz 測試頻率、不同擾動振幅下所得之遲滯迴圈如圖 3.13~3.14 所示。其結果 顯示，預彎拱鈑於週期性荷載下呈現穩定的消能特性，且其勁度變化亦與試體 SDt1 具類似的變化趨勢。

比較不同鈑厚測試所得之遲滯迴圈(圖 3.15)發現，預彎拱鈑較厚者具有較 飽滿的消能面積，且隨擾動振幅的加大，消能能力之差異更為顯著。圖 3.16 為 三種不同鈑厚之預彎拱鈑於 0.1Hz 擾動頻率所得之最大出力比較，其結果顯示 拱鈑愈厚者其出力愈大的趨勢。以擾動振幅 5mm 之測試為例，試體 SDt1 之最 大軸力僅為 109kgf（拉）及-40kgf（壓），SDt2 之最大軸力為 249kgf（拉）及 -155kgf（壓），SDt3 之最大軸力則高達 750kgf（拉）及-462kgf（壓）。不同鈑 厚拱鈑之最大出力值整理於表 3.2 中。

值得注意的是，三種預彎拱鈑除鈑厚不同外，其餘設計參數均相同。測試 過程中發現，SDt1 試體在測試振幅達 6mm 時，拱鈑已接近拉平狀態，遂不再 執行更大振幅的測試。其可能原因為 1mm 鈑厚之鋼板因厚度較薄而有較大的 彈性，鋼板經滾壓後其曲率不易維持設計目標，故實際加工完成之預彎拱鈑的 初始弦切弳度角q₀較小（較易被拉平）。