第四章 液態黏性阻尼器
第三節 試驗驗證
壹、三層樓之兩跨乘兩跨空間鋼構架
為探討、比較以線性及非線性液態黏性阻尼器為減震元件之結構物受地震力之 反應，以及不同阻尼器裝置方式之減震效益，黃震興教授等人【28、29、30、35】
於2000~2003 年在國家地震工程研究中心(National Center for Research on Earthquake Engineering，NCREE)進行一系列之振動台試驗，將線性及非線性阻尼器分別以對 角斜撐及上肘型斜撐之方式裝設於一三層樓鋼構架之上，並與一般傳統抗彎矩空構 架進行之振動台試驗相互比較。
本試驗所使用之試驗結構將設計為一縮小比例為 0.4 之兩跨三層空間鋼構架，
其結構系統於 X 及 Y 方向分別設計為抗彎構架及二元系統，鋼結構樓層每一樓層 平面尺寸皆為4.5m 4× m，除第一層樓高1.5m外，其餘二、三樓皆為1.25m；除構架 本身自重外，第一、二層之設計靜載重為500kg/m2，頂樓（第三樓層）之設計靜載
重為375kg/m2，如此則使結構總質量約在40 公噸以內。
阻尼器性能測試之實驗配置如圖4.21 所示，外部水平油壓制動器施加力量於阻 尼器之主軸方向，兩支垂直油壓制動器經過位移的校正使上部橫樑(Top Beam)在實 驗過程中保持水平，阻尼器之受力及位移量則由裝置於其上的測力計(load cell)及位 移計直接量測。外部水平千斤頂以位移控制，推出不同頻率之正弦函數位移。經由 阻尼力與速度之回歸則可分別求得各個阻尼器之C及α ，如圖4.22、4.23 所示。
base of superstructure external load cell VD HDRB
strong floor
reaction wall
圖4.21 黏性阻尼器性能測試裝置
（資料來源：國家地震工程研究中心提供）
-10 -5 0 5 10
Displacement (mm)
-40 0 40 -40 0 40
Damper Force (kN)
-40 0 40 -20
-10 0 10 20
-20 0 20
-10 -5 0 5 10
-40 0 40
N1-1 N1-2
3.5Hz
0.5Hz
1Hz
3.5Hz 2Hz
3Hz 2Hz
3Hz 0.5Hz
1Hz
圖4.22 非線性黏性阻尼器力與位移遲滯迴圈圖
（資料來源：國家地震工程研究中心提供）
第四章 液態黏性阻尼器
0 100 200 300
Velocity (mm/s)
0 10 20 30 40
Damper Force(kN)
N1-1 N1-2
Fitting Curve , Fd =2081V0.47 N-(sec/mm)0.47
圖4.23 非線性黏性阻尼器力與速度關係
（資料來源：國家地震工程研究中心提供）
本 試 驗 共 分 五 個 階 段 ， 第 一 階 段 為 一 般 抗 彎 矩 空 構 架(Moment Resistant Frame，簡寫為 M.F.)，即不裝設液態黏性阻尼器之構架，做為加裝阻尼器構架之減 震效益的比較基準。第二階段為含線性阻尼器之對角斜撐構架(Diagonal Braced Frame with Linear Dampers，簡稱為 D.L.)，第三階段含非線性阻尼器之對角斜撐構 架(Diagonal Braced Frame with Nonlinear Dampers，簡稱為 D.N.)，第四、五階段分 別為含線性與非線性阻尼器之上肘型斜撐構架(Toggle Braced Frame with Linear or Nonlinear Dampers，簡稱為 T.L. 和 T.N.)。其架設於振動台上之整體外觀如圖 4.24、
4.25 所示。
圖4.24 含黏性阻尼器之對角斜撐構架
（資料來源：國家地震工程研究中心提供）
圖4.25 含黏性阻尼器之上肘型斜撐構架
（資料來源：國家地震工程研究中心提供）
在地震模擬試驗開始之前，為識別試驗構架之特性以利後續分析工作之開展，
需先進行白訊試驗(White Noise Test)。利用振動台製造一頻率內涵包含 0~25Hz 之白 訊(White Noise)以激振構架，記錄基底及各樓層之加速度歷時反應，各樓層與基底 加速度反應於頻率域之振幅比值即為構架之傳遞函數(Transfer Function)，可識別出 構架之頻率、振態(Mode Shape)及阻尼比。圖 4.26 為空構架與線性、非線性阻尼器 之對角構架之轉換函數，由圖中可明顯看出含阻尼器之構架，其第二、三模態幾乎 都已不太明顯，可見能有效抑制高頻部分的反應，且可明顯降低構架整體的反應。
比較線性與非線性阻尼器之構架，非線性阻尼器構架有較線性阻尼器更低之轉換函 數值(結構反應較小)。
0 5 10 15 20 25
Time(sec)
0 5 10 15 20 25 30 35
Amplitude of Transfer Function Roof Response
M.F.
D.L.
D.N.
圖4.26 不同試驗構架之轉換函數
（資料來源：國家地震工程研究中心提供）
本振動台試驗選用之地震資料除常用之國外地震紀錄，民國八十八年重創本島 中部造成重大人員傷亡、財物損失的921 集集大地震，亦為本研究關注的重點，所 選用之三個測站地震資料，TCU068 為典型近斷層地震，其特色為高 PGA(Peak Ground Acceleration )，且具有明顯突出之速度脈衝，TCU048 台中市東海大學測站 位於斷層下盤，為地震特性不同於TCU068 測站資料之遠斷層地震，TCU17 測站之 地震紀錄，其反應譜涵蓋了較廣的頻率範圍，屬較長週期地震。
由圖4.27 可比較所有試驗構架於地震歷時下整體反應之極值，包括各樓層絕對 加速度、對地表相對位移、樓層剪力(除以構架總重予以無因次化)及層間變位角，
顯示黏性阻尼器的裝設的確提高了構架阻尼比，降低構架受地震力之反應。裝設相 同阻尼器之肘型斜撐優於對角斜撐，位移方面約為對角裝置之 50%~85%左右，加 速度約為對角裝置之72%~95%左右。由圖 4.2.8 絕對加速度、相對位移之歷時反應 中也可明顯觀察到除了峰值的折減外，整體之反應亦有明顯之折減。若比較對角斜 撐構架及肘型斜撐構架之反應，肘型斜撐構架反應之峰值明顯低於對角斜撐構架，
在變形較大之處，可明顯看出其折減效果，但於地震力較小處，肘型斜撐與對角斜 撐之表現則較無太大差異，其原因可能因於小地震下，位移量較小，鉸接處縫隙影 響肘型斜撐較大，以致肘型斜撐無法發揮預期之效能。
第四章 液態黏性阻尼器
0 1 2 3 4
Max. Acceleration/PGA 0
1 2 3
Story No.
0 10 20 30
Max. Relative Displ. (mm) 0
1 2 3
Story No.
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Max. Story Drift Angle (%) 0
1 2 3
Story No.
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 Max. Story Shear/Total Weight 0
1 2 3
Story No.
80% El Centro Eq.
1 2 3 4
Max. Acceleration/PGA
0 10 20 30
Max. Relative Displ. (mm)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Max. Story Drift Angle (%) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
Max. Story Shear/Total Weight
120% El Centro Eq.
Chi-Chi Eq.
60%TCU068 Chi-Chi Eq.
80%TCU068
0 1 2 3 4
Max. Acceleration/PGA 0
1 2 3
Story No. M.F.
D.L.
D.N.
T.L.
T.N.
1 2 3 4
Max. Acceleration/PGA
0 10 20 30
Max. Relative Displ. (mm)
0 10 20 30
Max. Relative Displ. (mm) 0
1 2 3
Story No.
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
Max. Story Shear/Total Weight 0
1 2 3
Story No.
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8
Max. Story Shear/Total Weight
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Max. Story Drift Angle (%) 0
1 2 3
Story No.
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Max. Story Drift Angle (%)
圖4.27 不同試驗構架於地震歷時下整體反應之極值
Roof Absolute Acceleration (g) -1.0-0.8
-0.6
Time (sec) -1.0
80% El Centro Earthquake
M.F.
Roof Relative Displacement (mm)
-25
Time (sec) -25
80% El Centro Earthquake
M.F.
D.L.
D.N.
T.L.
T.N.
15 20 25 30 35
Roof Absolute Acceleration (g) -0.8
-0.4 0.0 0.4 0.8
15 20 25 30 35
Time (sec) -0.8
Chi-Chi Earthquake 60%TCU068
Roof Relative Displacement (mm)
-30
Time (sec) -30
Chi-Chi Earthquake 60%TCU068
第四章 液態黏性阻尼器 1st Story Drift Angle (%)
-0.4 1st Base Shear/Weight (1st Fd)
H / Weight 80% El Centro Earthquake
Chi-Chi Earthquake 180%Tcu048
Diagonal Braced Frame with Linear Dampers
30% Kobe Earthquake
1st Story Drift Angle (%)
-0.4 1st Base Shear/Weight (1st Fd)
H / Weight 80% El Centro Earthquake
Chi-Chi Earthquake 180%Tcu048
Diagonal Braced Frame with Nonlinear Dampers
30% Kobe Earthquake
圖4.29 中小地震時含黏性阻尼器對角斜撐構架一樓層間位移與層間剪力
（資料來源：國家地震工程研究中心提供）
愈來愈多研究指出，評估地震對結構物破壞潛勢較直接之指標，並非能量而是 功率(Power)，即單位時間內輸入之能量。亦即地震之破壞潛勢或結構物受地震力之 反應與地震輸入之總能量相關外，尚需考慮能量輸入之時間因素。因此提出地震瞬 時輸入能量(Momentary Input Power)之概念，做為評估地震破壞潛勢之指標。
其中 180%TCU048 及 60%TCU068 地震即表現出兩種不同特性之地震輸入狀 況，如圖4.30。由其瞬時輸入能量時間歷時圖，非常清楚地展現出地震的不同特性：
離斷層帶較遠的TCU048 地震在較長時間範圍內陸續而多次地送入能量；近斷層地 震 TCU068，則於一短時間內給予構架重擊，即在短時間內送出大量能量。在輸入 總能量上後者低於前者，但構架之反應極值60%TCU068 卻超越了 180%TCU048 地 震。另外，地震瞬時輸入能量與結構位移反應直接相關，含阻尼器之構架不但能使 構架之瞬時能量下降，且消能能力大增，故構架之位移反應將更小，所以黏性阻尼 器裝置確實有助於結構能量之消散與結構反應之折減。
Chi-Chi Earthquake 180%TCU048
-2000
Chi-Chi Earthquake 60%TCU068
One-Third Octave Band Center Frequency (Hz) 0
5 10 15
Roof
3rd Floor
Base (Input)
X - direction
without dampers with dampers
0
2nd Floor
One-Third Octave Band Center Frequency (Hz) 0.0
0.5 Roof
3rd Floor
Base (Input)
X - direction
without dampers with dampers
0.0 0.5 1.0
2nd Floor
圖4.31 不同試驗構架之速度均方根值
（資料來源：國家地震工程研究中心提供）
第四章 液態黏性阻尼器
貳、三層樓之兩跨乘兩跨空間鋼筋混凝土構架
黃震興教授等人【33、36】於 2004 年在國家地震工程研究中心(National Center for Research on Earthquake Engineering，NCREE)進行 RC 建築結構加裝液態黏性阻 尼器之振動台試驗，由於非結構牆的側向勁度與強度將大大降低結構之層間變形，
針對高勁度結構物阻尼器變位量過小之缺點，採用一種新的阻尼器裝置方式—肘型 斜撐系統(Toggle Brace)，利用幾何關係將阻尼器之變位量放大，高於層間變位量，
連帶使阻尼器活塞運動速度增加，以發揮更大之功效。並探討RC 結構在 RC 牆逐 漸產生大量裂縫的同時，黏性阻尼器是否因結構位移增加及週期延長而能適時地提 供大量的阻尼力，以補救結構強度的損失，而使得RC 結構得以在大地震中減少損 害。
本研究將設計兩棟含非結構牆之抗彎矩構架，並於其中一棟加裝非線性黏性阻 尼器，進行振動台地震模擬試驗，由結構反應之折減與地震能量觀點評估加裝阻尼 器後之減震效益。試驗結構為1/2.5 縮尺三層樓之兩跨乘兩跨空間 RC 構架，因 RC 結構之縮尺比例與真正力學行為很難有直接之因次分析(Dimension Analysis)的關係 存在，因此本研究將直接針對試驗結構進行耐震設計，惟所採用之設計反應譜週期 依1/ 2.5 ≈0.625比例縮小，縮尺模型為滿足與原型結構之相似法則(Similitude Law) 須添加額外質量塊模擬靜載重與活載重，加上結構本身自重後結構各樓層之重量從 二樓樓版至頂樓依序約為155.0KN 、154.6KN 、128.9KN 。
經由阻尼器性能測試之實驗與阻尼力與速度之回歸則可分別求得各個阻尼器 之C及α 。本試驗共分三個階段，首先測試含非結構牆之 RC 抗彎構架(WMRF，如 圖4.32)，其次測試加裝阻尼器之含非結構牆 RC 抗彎構架(DMRF，如圖 4.33)，最 後則測試RC 純抗彎構架(PMRF)，為明瞭試驗構架之動力特性，如振動頻率、模態、
整體阻尼比等，每階段地震模擬試驗前，皆先進行白訊(White Noise)試驗，以識別 在每次地震試驗後結構本身動態特性(週期、振態)改變情形。
圖4.32 含非結構牆之 RC 抗彎構架
（資料來源：國家地震工程研究中心提供）
圖4.33 加裝阻尼器之含非結構牆 RC 抗彎構架
（資料來源：國家地震工程研究中心提供）
本振動台試驗共選用五組地震資料，地震資料均選用近年來對國內損傷嚴重之 921 與 331 自由場之地表加速度歷時記錄。其中 TAP100、TAP021 與 TAP022 測站 為台北盆地具較軟弱地盤特性之地震資料，而TCU017 與 TCU078 測站則擁有較堅
本振動台試驗共選用五組地震資料，地震資料均選用近年來對國內損傷嚴重之 921 與 331 自由場之地表加速度歷時記錄。其中 TAP100、TAP021 與 TAP022 測站 為台北盆地具較軟弱地盤特性之地震資料，而TCU017 與 TCU078 測站則擁有較堅