第四章 隔震結構設計之檢核
第二節 阻尼器之配合
隔震結構設計中，為了降低結構承受的地震力、減少結構在強震時 的最大位移，配合設置適當的消能系統--阻尼器是一種有效的方法。在 隔震系統中，阻尼器與隔震器並行排列，應達到如下性能：
1.具有足夠的吸收地震能量的能力；
2.具有能夠與隔震器大變形相似的變形能力；
3.具有良好的耐久性，能夠長期保持其原設計功能。
由於結構的功能需求不盡相同，對阻尼器的要求也不完全一樣。對 於那些特別重視樓層地震反應的建築物，尤其要注意阻尼器恢復力特性 的設計。
按其作用原理，阻尼器可分為以下三類：
1.利用彈塑性材料塑性變形的彈塑性阻尼器；
2.利用摩擦吸能的摩擦型阻尼器；
3.利用黏性材料黏性阻尼力的黏性型阻尼器。
第四章 隔震結構設計之檢核
設計時，應注意這些阻尼器各自的特點。目前使用的黏性阻尼器有 兩種，一種是具有活塞結構的由阻尼器(圖1，圖2)，另一種是利用平面 間黏性材料剪切變形吸能的黏性阻尼器。
圖1 圖2 一、黏滯性阻尼器
黏 滯 性 阻 尼 器 能 得 到 與 速 度 的 α 次 方 大 致 成 正 比 的 阻 尼 力 ： CVα
Fd = 。因為它的恢復力特性成橢圓形曲線，故可用來對加速度進行 控制。但是黏滯性材料的老化、阻尼特性對溫度變化應加注意。
由於黏滯性阻尼器具有阻尼力與速度同相，與位移相差π/2 的特 性，在結構物層間位移量為零時(速度最大時)出力最多，而在結構物變 位最大時(速度為零時)，亦即結構物桿件內力最大時出力最小，此特性 使黏性阻尼器再貢獻阻尼力降低結構物反應時，不會對既有結構物增加 太多額外負擔，因此非常適用於現有結構之補強。
黏滯性阻尼器依其力學性質可分為線性黏滯性阻尼器及非線性黏 滯性阻尼器兩種。線性阻尼器為力量與速度成正比(Fd =CV)，非線性黏 性阻尼器則是可在速度較小時即產生較線性黏性阻尼器大的阻尼力，可 更有效地控制結構物受外力時的反應。
二、摩擦型阻尼器
摩擦型阻尼器是通過使兩個摩擦面相互接觸、摩擦獲得阻尼力的。
目前使用的摩擦型阻尼器主要有兩種。一種是將隔震結構底面對地基的
相對位移轉換為磨擦面的回轉運動，另一種是將其轉換為直線運動。這 類阻尼器的恢復力特性基本上屬於完全剛塑性型。但是，設計者必須注 意摩擦面的耐久性和運動部分的劣化等問題。
三、彈塑性阻尼器
彈塑性阻尼器是利用軟鋼或鉛等材料的塑性變形吸能，可以設計成 比較簡單的構造便能得到必要的阻尼力。此外，通過改變材料的截面等 參數可以容易地提高阻尼性能，設計自由度較大。軟鋼阻尼器是 70 年
代前期由Skinner、Taylor等人提出的。這些阻尼器是通過將建築物與地
基之間的相對位移轉換為阻尼器的扭轉、彎曲變形來實現對地震能量的 吸收。他們的恢復力特性都成光滑的梭形。鉛阻尼器是 1974 年由
Robinson 提出的。他把鉛灌入鋼管中，通過對鉛的前後推拉來吸收能
量。這種阻尼器的的遲滯迴圈接近剛塑性型。1980年，又開發出一種將 鉛埋入疊層橡膠使其吸收能量的鉛心橡膠隔震器(LRB)。鉛有優良的吸 能能力，隨著塑性變形的發生，通過回復和再結晶過程，晶粒變得更細，
變形能力也隨之上升。
由於彈塑性阻尼器所用的材料是建築工程中常用的鋼材和自然界 中性能最穩定的鉛。因此，被公認為最可靠的阻尼器。
彈塑性阻尼器的設計原則為
1.阻尼器能夠提供的變形能應大於或等於輸入的地震能量；
2.在大變形過程中阻尼器不致破壞；
3.剛度、降服剪力適度。
為確保阻尼器的吸震能力，應選用吸能優良的材料。為使阻尼器在 大變形過程中不致破壞，除應保證足夠的截面面積外，還應注意型態設 計，以避免高度應力集中。剛度和降服剪力是阻尼器的兩種特性，尤其
第四章 隔震結構設計之檢核
是降服剪力對隔震系統最大位移的影響十分明顯，因此，能夠在某種程 度上自由地調整阻尼器的降服剪力是原設計者所期待的。
目前，已經被開發出來且能滿足上述設計原則的有彈塑性阻尼器和 鉛阻尼器兩種系列。
鉛心阻尼與鋼環阻尼器即是利用鉛與鋼材之塑性變形吸收能量之 阻尼元件。與鋼環阻尼器相比較，鉛心阻尼在早期發生降伏，從較小變 形時開始發揮阻尼作用。而鋼環阻尼器在小變形時僅有小阻尼，在大變 形時則呈現穩定大阻尼力之力學特性。依據鋼環阻尼器之特性，將其佈 置於結構外週(不必設在柱下)，可以提高隔震層之抗扭勁度。而油壓式 阻尼器(黏性阻尼器)則表現為阻尼力與速度成比例之力學特性。由於阻 尼力與速度成比例，油壓式阻尼器(黏性阻尼器)具有在最大變形時阻尼 為0，對上部構造不產生負擔之優點及抑制扭轉之效果。以慈濟醫院新 店分院為例，其設計理念即利用上述阻尼元件之組合，對微小地震或大 風之搖動，鉛心阻尼與鋼環阻尼器之勁度起主要抑制作用，在小地震時 以鉛心阻尼之塑性變形為主，在中地震時以鉛心阻尼與鋼環阻尼器之塑 性變形為主，在大地震時以鉛心阻尼、鋼環阻尼及油壓式阻尼器(黏性 阻尼器)來吸收地震之能量。