第四章 預彎拱鈑之元件試驗與分析
4.2 預彎拱鈑之元件測試
4.2.2 試驗結果與討論
4.2.2.1 初步試驗（Preliminary tests）
在固定擾動振幅下（s=1mm），試體 PBSt1（鈑厚 t=1mm）在不 同擾動頻率下所得之遲滯迴圈如圖4.9 所示。很明顯的，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 4.10~4.11 分別 為試體PBSt2（鈑厚 t=2mm）及 PBSt3（鈑厚 t=3mm）之預彎拱鈑在 相同測試條件下之測試結果，其消能特性所得之遲滯迴圈具與試體 PBSt1 相同有類似之變化情況，即遲滯消能面積隨著擾動頻率增加而 變大。
因預彎拱鈑係由金屬鋼板所加工完成，金屬鋼鈑降伏後進入非線 性階段之消能能力，理論上應與位移相依而和速度無關。因此，預彎 拱鈑隨著擾動頻率增快而產生的遲滯消能行為應可研判應為 1.5tf 動 態油壓致動器之阻尼特性所造成的。再者，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。為了排除油壓致動器 之影響造成試驗結果的誤判，後續之元件試驗將以0.1Hz 之擾動頻率 進行，使其接近靜態加載條件。
4.2.2.2 擬靜態試驗
試體編號PBSt1 之預彎拱鈑在簡諧擾動測試頻率為 0.1Hz、不同 振幅下所得之遲滯迴圈如圖 4.12 所示。其結果顯示，預彎拱鈑於週 期性載重下呈現穩定的消能特性，當擾動振幅增大的同時，預彎拱鈑 之遲滯消能迴圈也更趨飽滿。此外，預彎拱鈑之勁度變化現象亦與第 二章非線性彈性挫屈理論所預測的一致，即隨軸拉位移之變大而增 加，並隨軸壓位移之增大而降低。
試體PBSt2 及 PBSt3 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 4.13~4.14 所示。其結果顯示，預彎拱鈑於週 期性荷載下呈現相當穩定的消能特性，且其勁度變化亦與試體PBSt1 具類似的趨勢。
比較不同鈑厚測試所得之遲滯迴圈(圖 4.15)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，其消能能力之差異 更為顯著。圖 4.16 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 PBSt1 之最大軸力僅為 109kgf（拉）
及-40kgf（壓），PBSt2 之最大軸力為 249kgf（拉）及-155kgf（壓），
PBSt3 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4.2 中。
值得注意的是，三種預彎拱鈑除鈑厚不同外，其餘設計參數均為 相同。測試過程中發現，PBSt1 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。可能是 1mm 鈑厚之鋼 板因厚度較薄而較不易降伏變形，鋼板經滾壓成拱形後其曲率不易維 持在設計目標，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）。
4.2.2.3 試驗與 ANSYS 分析結果之比較
模擬所得之非對稱配置之預彎拱鈑遲滯迴圈如圖 3.13 所示，
PBSt1A、PBSt2A、PBSt3A 依序分別代表厚度為 1mm、2mm 與 3mm 非對稱配置之預彎拱鈑，末碼代號 A 代表 ANSYS 模型。非對稱配置 之預彎拱鈑元件模擬與測試結果比較發現，ANSYS 分析所預測之遲 滯迴圈較為飽滿，特別於軸力卸載部分差異更為顯著。根據表3.1 及 表4.2，將其最大軸拉、壓力之包絡線繪製在一起如圖 4.17 所示，圖 中各線段之表示方式如 PBSt1(S)、PBSt1(T)，其括號中之 S 代表 ANSYS 模型，T 則代表測試之元件，t1 代表厚度為 1mm。其中鈑厚 2mm 之 ANSYS 模擬與元件測試結果差異較小，顯示元件測試及
ANSYS 模擬之結果相當接近。而鈑厚 1mm 及 3mm 之預彎拱鈑試驗 與模擬之差異較大，造成試驗與模型分析結果差異的可能因素為：
1. 厚度 1mm 之預彎拱鈑於組裝至測試構架已受到拉扯而變形，在初 始弦切徑度角改變，造成預彎拱鈑可能已拉長之情況下，預彎拱鈑 之行為與預測結果有落差。
2. 鈑厚 3mm 之元件在組裝上因螺栓緊迫之力道不足，導致螺栓與轉 接頭並非完全固接，在此狀態下，預彎拱鈑實際出力值較模擬之結 果小。
3. 不同鈑厚之預彎拱鈑有限元素模型因尺寸不同，因此當選擇元素 自由分割選項後，切割元素之數量不同，愈薄之預彎拱鈑模型所切 割之元素愈多，其計算結果愈精確；愈厚之預彎拱鈑模型所切割之 元素愈少，計算結果愈粗糙。但使用者如使用自訂之有效切割方式 (如規則網格)應可避免此缺失。
由上例ANSYS 模擬三種鈑厚之預彎拱鈑元件進行分析，其結果 顯示，在經由元件測試試驗及ANSYS 模擬結果驗證下，模擬之結果 相當合理，惟模型之元素切割技巧及測試與模擬所設定之邊界條件是 否吻合，將會是影響分析結果正確性之關鍵。另外，在元件測試方面，
元件如可準確定位及組裝，理論上試驗結果應與模擬結果一致。