隔震構材的種類與基本特性

隔震構材必須具備上述各項性能，具有多性能的隔震構材一直在研發中，若 隔震構材只有單一性能時，則必須和具其他性能的隔震構材混合使用。目前使用 於建築物中最廣泛的隔震構材，為滑動支承隔震器、積層橡膠支承隔震器與阻尼 器，介紹如下述。

目前、隔震器使用如照片2.3.1.1的積層橡膠相當地多。積層橡膠係由圓形 的薄鋼板（中間鋼板）與薄橡膠片相互膠著而成的構造（積層構造）。橡膠材料 的特性其有彈性係數小、延展能力佳、非壓縮性(波松比 0.5)體積變化很小等特 性。

積層橡膠受到壓力荷重的作用下，橡膠片會產生横方向膨脹的現象，由於橡 膠片受到中間鋼板束制的作用，橡膠的體積變化非常小，所以其壓縮變形量非常 小，故積層橡膠的垂直方向具有堅硬之特性。水平變形時，中間鋼板幾乎沒有變 形只有橡膠片作剪力變形，但不會產生體積變化，因橡膠本身比較柔軟而由橡膠 的材料特性來決定水平剛性。因而積層橡膠即垂直方向能夠支撐建築物的荷重，

水平方向又有充分的變形能力，故成為目前普遍使用的隔震構材。

一、積層橡膠 1.積層橡膠的原理

很早之前，人們已利用橡膠伸長率大柔性高的性質來作為隔震器的材 料，以減低交通振動或機械振動建築物振動的目的，這方面的應用很早就有 了。

隔震支承必須要具備其基本的隔震性能；從建築物的重量的支承，到力 學特性的發揮(變形、剛性的發揮)，隔震器需審慎選擇其使用的橡膠材料。

積層橡膠之垂直剛性比水平剛向要大很多約在1000 倍~2000 倍以上(圖

2.3.1.1)。隔震支承的極限變形會由橡膠的伸長率與支承的挫屈能力來控制，

一般而言，挫屈破壞的問題可藉由隔震支承的外形設計克服，所以，隔震支 承的極限變形能力乃由橡膠的變形能力控制。

2.積層橡膠的種類

目前常用的積層橡膠支承，從橡膠材料及構造的不同，大致可以分為天 然橡膠系積層橡膠支承、鉛心積層橡膠支承、高減衰積層橡膠支承3 類：

從形狀來看，天然橡膠系積層橡膠支承與高減衰積層橡膠支承的外形相 似，而鉛心積層橡膠支承係於積層橡膠的中心部位加入圓柱形鉛棒等之衰減 材料(圖 2.3.1.2)。積層橡膠的特性係由積層橡膠的水平變形及其水平荷重的

變形關係(遲滯圈特性)評估，遲滯曲線所圍面積的大小即為能量吸收的大 小，其代表衰減能力的大小，各種類積層橡膠的性能概要如表2.3.1.1所示。

(1)天然橡膠系積層橡膠支承：使用彈性、耐潛變及耐寒性佳的天然橡膠，但 是天然橡膠本身的減衰性能小，有效阻尼比約在2%~3%左右。所以常需與 其他阻尼器裝置一併使用。天然橡膠的遲滯圈特性如圖2.3.1.3(a)所示為直 線形狀。天然橡膠系積層橡膠支承對於溫度、振動次數、反覆載重次數對遲 滯圈特性的影響相當小。為了抗氧、臭氧及紫外線等環境劣化因素，一般會 在支承外圍以耐候性佳的合成橡膠包覆作為保護層。

(2)鉛心積層橡膠支承：在天然積層橡膠支承中加入鉛棒，鉛棒隨著積層橡膠 的水平變形而產生塑性變形發揮其減衰阻尼性能，鉛心積層橡膠的水平力方 向之遲滯圈特性如圖2.3.1.3(b)所示，遲滯圈所包圍的面積大即表示其吸收 地震之能力。

鉛心降伏前的剛性相當高，亦即微小變形時其剛性高對於抑制強風作用 下建築物的搖動有相當好的效果，而降伏後的剛性又相當低，大地震發生時 水平方向有較柔軟的剛性特性。而且因為支承本身就具有阻尼特性，可以不 必與阻尼器合併使用，故隔震構材的裝置佔用的空間較小。

鉛的柔軟性高，在反覆載重變形後其性能也能回覆，且在小力量作用 下，鉛心會具有慢慢地變形的特性(潛變特性)，即使地震發生後所產生的殘 留變形也會因橡膠的遲滯圈特性，在經過一段時間後回覆到原始位置。

(3)高減衰積層橡膠支承：外形與天然橡膠系積層橡膠支承相同，橡膠材料本 身具有衰減性能，故稱之為高減衰橡膠。

高減衰積層橡膠的水平方向遲滯圈特性如圖2.3.1.3(c)所示，相較於天 然橡膠系積層橡膠支承，其遲滯圈特性所包圍的遲滯圈面積比較大，代表其 吸收能量的能力較大。其遲滯圈隨著水平變形的增加會產生剛性的減少之非 線性形狀。高減衰積層橡膠支承的初期剛性低於鉛心橡膠支承的初期剛性，

可抑制風作用力所造成的建築物搖晃，同時對於小變形時亦有隔震的效果。

高減衰積層橡膠支承的衰減性能隨著橡膠變形而產生，由分子間的摩擦 提供阻尼要素及黏性衰減的阻尼要素共同形成，隨著橡膠的種類及變形的大 小，其阻尼比會有若干差異，高減衰積層橡膠的有效阻尼比約在15%~20%

滑動支承水平方向的遲滯圈特性如圖2.3.1.5所示，滑動式支承開始滑 動前的初始剛性很高，滑動後的剛性很低，此一特性導致遲滯圈曲線呈現約 為四方形。

滑動荷重(水平荷重)除以支持荷重(垂直荷重)稱為摩擦係數，摩擦係數 小表示滑動支承的隔震絕緣效果大，但為抵抗風力作用的振動生，仍須具備 某一程度的摩擦力係數。而且，在同樣的變形量下，當滑動支承摩擦係數愈 大時，遲滯圈所包圍的面積亦愈大，吸收能量的能力亦增加，所以從滑動支 承衰減性能的觀點來看，摩擦係數的設定相當的重要。因為摩擦係數的設 定，決定了滑動支承的特性，因此摩擦係數的安定性非常重要。再則，長期 的作用力下其耐荷重性、耐磨耗性、耐候性等皆為非常重要的特性。摩擦係 數的大小會隨著材料的不同而異，一般約在0.1 左右，其會隨著面壓的增加 而減少。一定程度(10(cm/sec))以上的速度對摩擦係數幾乎沒有相關性。

滑動支承的材料一般由鐵弗龍(PTFE)、不銹鋼板及鋼板等組成，使用時 的面壓(單位面積所承受的荷重)通常設定為 100~300kgf/cm2 之間。地震時必 須有使建築物回復的彈簧措施，所以常與積層橡膠合併使用。

目前市場已開發出具有回覆力的滑動支承FPS(Friction Pendulum System)，其滑動面為曲面，故具備有回覆功能，因而不需配合彈簧，並可 藉由滑動面曲率的設定，調整隔震建築物的週期。

三、隔震用阻尼器

隔震裝置中的阻尼器，主要為吸收建築物振動的能量，抑制振動的反應。

通常隔震用阻尼器僅有阻尼機能，而沒有支持機能、回覆機能，其常與天然 橡膠系積層橡膠支承或滑動支承組合使用。由於其與支持機能互相獨立設 置，地震發生時的扭轉問題，可藉由隔震用阻尼器的自由配置加以解決。

隔震用阻尼器吸收能量的方法有：

1.利用流體的黏性(黏性阻尼器)。

2.利用金屬降伏後的遲滯特性(鋼材阻尼器、鉛阻尼器) 3.利用摩擦力所產生的衰減力(摩擦阻尼)

以上這些阻尼器的遲滯圈特性如圖2.3.1.6所示。

鋼材阻尼器或摩擦阻尼器在反覆載重作用下受到大變形時，其遲滯圈曲 線大致為平行四邊形，摩擦阻尼器則接近長方形，鋼材阻尼器在降伏前，摩 擦阻尼器在滑動前的剛性相當大，因此能防制風力等較小作用力造成建築物 之移動。一定程度以上的受力以上，剛性下降後，隔震效果才能發揮。

黏性阻尼器係利用流體在管內產生的流體抵抗力作為其阻尼力。或以抵 抗鋼板與黏性體之間產生的剪力抵抗力作為其阻尼力之剪力型黏性阻尼器。

黏性阻尼器的遲滯圈特性(力-變形關係曲線)呈現橢圓形，抵抗板的相對速度 最大時，其阻尼力最大，其幾乎沒有剛性，在微小振動或中小地震時其衰減 性能容易發揮，但仍須具備有追隨大地震時大變形的能力，故阻尼器的行程 (Stroke)較大，外型形狀也較大。