非對稱配置足尺預彎拱鈑之元件靜態測試

由前節在拉壓非對稱之配置下，足尺預彎拱鈑動態元件測試結果，已確認預 彎拱鈑之遲滯消能行為與速度無關。本節後續將以 200tf 之靜態油壓致動器針對 足尺預彎拱鈑在不同斷面寬度比( β =0.33 及 1.0)及鈑厚(t=10mm 及 12mm)之條件 下進行測試，以探討這些參數對預彎拱鈑遲滯消能行為的影響。

3.4.1 試驗架構（Experimental Setup）

„ 試體尺寸

非對稱配置足尺預彎拱鈑元件之靜態測試，分別考慮試體斷面寬度比 ( β =0.33 及 1.0)及鈑厚(t=10mm 及 12mm)等條件組合，共規劃四組試體進行 測試。各組預彎拱鈑試體之細部設計如圖 3.25~3.28 所示，其規格列於表 3.3，

編號分別為 FS10T、FS10U、FS12T 及 FS12U，其中 FS 代表 Full-Scale；數字 10 及 12 分別代表鈑厚為 10mm 及 12mm；T（Tapered）表斷面經切削(即 β =0.33) 之預彎拱鈑；U（Uniform）則代表均勻斷面(即 β =1.0)，亦即未經切削之預彎 拱鈑。

„ 測試構架與試驗規劃

非對稱足尺預彎拱鈑元件之靜態測試係由兩片拱鈑以左、右相對配置（如

圖 3.29），並將其安裝於測試機構上。測試構架的組裝設計如圖 3.30 所示，其 H 型鋼基座與強力地板連結，測試構架上部之可動鋼梁則與安裝於反力牆上 之 200tf 靜態油壓致動器連接。待測之預彎拱鈑兩端則安裝於反力座上，並分 別與上、下兩支鋼梁連結。圖 3.31 為組裝完成之測試構架。

元件測試之加載採連續位移控制模式，加載波形及測試速率則分別為三 角波及 0.2 mm/sec，測試位移（振幅）包括 5 mm、10 mm、15 mm、20 mm 至 25 mm 等五段不同的振幅，每一振幅均連續進行三個循環，圖 3.32 為致動 器之連續加載歷時圖。資料擷取系統之取樣週期設定為 0.2sec。

3.4.2 試驗結果與分析

預彎拱鈑元件試驗之遲滯迴圈如圖 3.33 所示，每一振幅之循環荷載下，

遲滯迴圈均相當穩定且飽滿，顯示其消能行為十分穩定可靠；在拉壓不對稱 的情況下，隨著軸拉位移之增加，預彎拱鈑的勁度也跟著增加；反之，隨著 軸壓位移的增大，勁度則降低。在不同振幅下，根據彈性挫屈理論分析之最 大出力與試驗結果均相當接近(圖 3.34、3.35)，除了在振幅大於 20mm 後，最 大拉力之預測值則明顯大於試驗結果。其原因主要為，彈性挫屈理論忽略了 降伏後材料之非線性應力-應變關係所致。

茲進一步探討，預彎拱鈑之鈑厚(t)及斷面寬度比（ β ）對元件力學特性 之影響。試驗結果顯示，預彎拱鈑之最大出力隨元件厚度及寬度比的不同而 改變。當厚度增加時，最大出力也會跟著增加。四組試體中以鈑厚 12mm 之

均勻斷面試體 FS12U 得到最大之出力，如圖 3.34 所示。預彎拱鈑厚度相同時，

均勻斷面之最大出力亦較切削斷面者來得大，此與預彎拱鈑之彈性挫屈理論 分析結果一致(詳圖 3.35)。相關測試結果歸納於表 3.4。

儘管元件測試所得之遲滯迴圈呈現吾人所預期的型式，然而其飽滿程度 卻未盡理想，特別是在迴圈右下角部分有縮減的現象。為了釐清邊界條件對 預彎拱鈑遲滯消能行為的影響，本研究進一步以有限元素分析軟體 ANSYS 進 行模擬分析，以預測並探討預彎拱鈑之非彈性力學行為。

„ ANSYS 數值模擬分析

為配合元件測試之位移控制指令，ANSYS 分析時亦選用三角波做為輸入 位移指令歷時，並考慮大變形之情況。加載歷時如圖 3.36 所示，其中分為準 備區與分析區兩個部份：在準備區中，以振幅 30mm 連續兩個循環的方式進 行運算，主要用意是迫使預彎拱鈑達到降伏，以模擬拱鈑加工後之初始應力 狀態；在分析區中，則以 5mm、10mm、15mm、20mm 及 25mm 等五種不同 振幅，由小至大，每一振幅連續兩個循環的方式進行運算。圖 3.37 為以 ANSYS 軟體模擬固接預彎拱鈑的分析模型。

„ 數值模擬分析與試驗結果之比較

模擬所得之遲滯迴圈如圖 3.39(b)~ 3.42(b)所示。與元件測試結果比較發 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。造成試驗與模型分析結果差異的可能因素為：

(a) 元件測試之預彎拱鈑的邊界條件係藉由螺栓將預彎拱鈑與反力座進行 接合，而螺栓緊迫之力道不足以使拱鈑與反力座完全緊密貼合，致使拱 鈑之邊界條件未臻理想的固接，實際之邊界條件應介於固接與鉸接之 間。在此情況下，預彎拱鈑因幾何大變形使材料達降伏之程度較預期為 低，因而降低其消能能力。

(b) 儘管試驗設計與測試構架均經過適當考量，組裝過程亦力求確實，測試 構架上部可動鋼梁的扭轉以及測試構架螺栓接合處的滑動仍無法完全避 免。

為能進一步瞭解邊界條件對預彎拱鈑非彈性行為的影響，本研究進一步 考慮邊界條件為鉸接之預彎拱鈑受力行為。鉸接預彎拱鈑之 ANSYS 模擬模型 如圖 3.38 所示，分析結果如圖 3.39(c)~ 3.42(c) 所示。在相同荷載條件下，比 較固接與鉸接元件之遲滯迴圈可明顯看到，鉸接時預彎拱鈑的消能能力明顯 低於固接者，而試驗所得之遲滯迴圈則介於固接與鉸接之間。此一分析結果 可佐證元件測試時上部可動鋼梁於測試過程中扭轉，致使致動器內建之荷重 元量測得之讀數僅為預彎拱鈑實際出力的分量，而非預彎拱鈑的實際出力 值。此外，由不同邊界條件的分析結果顯示，預彎拱鈑的邊界條件越接近理 想之固接條件時，其消能效果越佳。故未來實際應用時，有關預彎拱鈑的端 鈑接合方式，除以螺栓對鎖外，亦可考慮進行焊接，使其邊界條件更趨近於 固接，以提升預彎拱鈑的消能能力。