隔震結構之物理參數識別

近年來，應用基礎隔震技術於橋梁及建築結構之抗震設計已相當普遍

【26～30】。隔震設計的概念主要係以低水平勁度之隔震系統延長結構周 期，以降低結構所承受之地震力，並透過材料非線性或摩擦力提供的消能 機制減緩隔震層的位移。目前發展較成熟的隔震系統，包括鉛心橡膠支承 (LRB)、高阻尼橡膠支承(HDRB)與摩擦單擺支承(FPS)，各國已有許多應 用實例【31~35】。隔震系統能否發揮預期之減震功能，與隔震支承的實

際物理參數﹙如勁度、降伏強度、摩擦係數、滑動介面的曲率半徑…等﹚

是否與設計值相符有關，故須經現地試驗予以驗證。此外，隔震支承在長 期高壓載重及風化作用下，其力學特性是否會因材料劣化或磨損而改變，

導致性能之衰減，也需要長期追蹤監控，作為之後設計與建造隔震建築物 的參考。由於土木結構規模龐大，且隔震元件的非線性力學行為必須在有 顯著位移的情況下才會呈現，一般的結構現地動態試驗方法—如利用 shaker 作振態掃描，或 impact hammer 敲擊…等均無法達到目的。因此，

吾人唯有仰賴真實地震的激發，由震測資料來進行其系統識別，以瞭解隔 震系統的實際行為是否與設計相符。

隔震建築或橋梁因安裝了隔震元件，在地震作用下其整體結構行為將 呈現非線性。惟該非線性乃源於局部隔震元件之遲滯行為，無法以非參數 系統識別方法結合模態分析觀念將其物理參數萃取出來。因此，必須藉由 物理參數(physical parameter)系統識別方法，直接針對隔震元件的勁度、

降伏強度、降伏位移、摩擦係數或曲率半徑…等物理參數進行識別。物理 參數系統識別法主要是透過結構系統之動態反應(加速度、速度或位移..

等)與輸入擾動(如地表加速度)間之關係進行結構物理參數(如阻尼與勁度 矩陣)之識別。雖然目前隔震建築物的實測資料尚屬有限，仍有不少針對隔 震建築物的地震反應行為持續進行評估研究中。Tan and Wang 使用迭代 識別運算(Iterative identification algorithm)，並以雙線性遲滯模型模擬隔 震裝置之非線性行為，並針對一棟四層樓隔震結構進行系統識別，結果顯 示其預測反應與量測資料相當吻合【36】。Stewart 等人亦針對四棟隔震 結構，以時變性的線性模型進行識別研究。其研究結果顯示，於不同地震 力作用下，結構物的基本振態頻率和阻尼係數皆會改變【37】。Nagarajaiath 和 Xiaohong 則針對一棟位於南加州的醫學院建築大樓進行研究分析，此 棟建築大樓於基礎安裝了68 組鉛心橡膠支承(Lead Rubber Bearing, LRB)

與 81 組合成橡膠支承(elastomeric bearing)。該研究以雙線性模型 (bilinear model)模擬隔震支承之非線性行為，並根據結構於北嶺地震 (Northridge earthquake)所量測到之結構系統反應資料進行比較，預測與 量測結果相當一致【38】。Furukawa 等人使用非線性狀態-空間模型 (Nonlinear state-space model)，並配合使用預測誤差法(Prediction error method；PEM)，對隔震建築物進行識別研究。該研究總共考慮三種變異 的非線性回復力模型:(1)簡化的雙線性模型(simple bilinear model)，(2) 雙線性多重剪力彈簧模型(bilinear multiple shear spring model)與(3)三 線性多重剪力彈簧模型(trilinear multiple shear spring model)進行實測 反應資料之識別，而根據其研究結果顯示，使用三線性的遲滯多重剪力彈 簧模型以模擬隔震元件之回復力，可得到較精確之結果【39】。Huang 等人提出物理參數識別運算(Physical identification algorithm)，並利用能 反映出 LRB 系統力學行為特徵之背骨曲線(backbone curve)來代表 LRB 系統之遲滯行為，將多值回復力(multi-valued restoring force)轉換成單值 函數(single-valued function)並配合輸出試誤法(output-error)之概念進行 系統參數之增量掃描，於增量掃描過程中找出使系統之預測反應與量測反 應間呈現最小誤差值之參數組合，即為隔震系統之有效參數【40~42】。

目前有關隔震結構系統識別方法，無論是橋梁或房屋結構，都是針對 LRB 隔震系統所提出，尚無針對 FPS 隔震結構系統識別的相關研究。事 實上，採用FPS 系統的隔震結構已日漸普及，因此，發展相應的系統識別 技術有其必要性。本文將根據 Huang 等人【42】提出之物理參數識別運 算(Physical identification algorithm)概念，發展一套適用於基礎裝設摩擦 單擺支承(FPS) 之隔震結構物理參數識別模型，以及可用於識別非剪力屋 架形式之結構物理參數識別方法，並利用振動台試驗驗證所推導之物理參 數識別模型於實際應用之可行性。