第四章 液態黏性阻尼器
第一節 力學行為
第一節 力學行為
壹、液態黏性阻尼器之構造及作用機制
圖4.1 為液態黏性阻尼器之基本構造圖，包含了高強度的筒身、油封、活塞桿、
有小孔(Orifice)的活塞頭，並在阻尼器內填滿黏性矽基脂液體(Silicone Oil)。藉由活 塞運動，流體由阻尼器的一側經過活塞頭上的小孔流至另一側，在合金製成的恆溫 器校正下，流體的流動將不因溫度的變化而產生太大影響（-30℃～54℃間維持穩定
【21】）。液態黏性阻尼器的阻尼力來自流體流經活塞頭時，在活塞頭兩側產生的壓 力差。因為流體的可壓縮性，當活塞運動進行時，隨著活塞桿進入筒身的部分越來 越多，剩餘空間變小，流體體積將被壓縮，如此將導致阻尼器除了與位移呈90°相 差的黏性力之外，另產生與位移同相的回復力，亦即阻尼器不僅只有損失勁度 (Loss Stiffness)，尚有儲存勁度 (Storage Stiffness) 出現。這種現象可藉由兩種方式改善
【3、4、22】：一是在阻尼器內留下一個校正室 (Accumulator Housing) 如圖 4.1(a) 所示，透過調整閥 (Control Valve) ，吸收或補充流體，避免彈性回復力的產生；或 者如圖4.1(b)，將活塞桿穿過整個阻尼器中容納流體的部分 (Run-through Rod) ，則 筒身容納流體的空間將不因活塞運動而改變。利用改變活塞頭上小孔的配置及內部 機械構造，可改變流體的流動特性因而產生不同的阻尼力性質(線性阻尼力、非線性 阻尼力及不同之阻尼常數等)。
液態黏性阻尼器依其力學性質可分為線性黏性阻尼器與非線性黏性阻尼器兩 種。線性黏性阻尼器為力量與速度成正比，非線性黏性阻尼器則是可在較小速度時 即產生較線性阻尼器大之阻尼力，可更有效地控制結構受外力時之反應。因此，目 前黏性阻尼器之市場以非線性黏性阻尼器為主，而線性黏性阻尼器則漸漸被取代。
非線性阻尼器之優點可簡略例舉如下：(1) 非線性阻尼器之製造較線性阻尼器簡 易；(2) 在相同出力極限時，線性與非線性阻尼器之造價相同，但非線性阻尼器之
出力極限需求往往小於線性阻尼器; (3) 一般情況下，非線性阻尼器之減震效益較線 性阻尼器佳。
(a)
(b)
圖 4.1 液態黏性阻尼器構造圖
（資料來源：國家地震工程研究中心提供）
貳、液態黏性阻尼器之力學性質
液態黏性阻尼器理想的力學行為是阻尼力只與相對速度相關且同相，不具儲存 勁度，其關係式如下式所示：
) sgn(u u
C
FD = α ... (4.1) 其中，F ：阻尼器產生之阻尼力 D
C：阻尼器之阻尼常數 u：活塞運動速度 α ：非線性係數 sgn(u)=+1，u≥0
第四章 液態黏性阻尼器
=−1，u<0
由式(4.1)可知，黏性阻尼器之阻尼力與速度同相，與位移成π/ 2之相位差，所 以構架上的阻尼器在構架位移最大，即樑柱系統受力最大時，所提供的阻尼力最 少，故不會帶給構架樑柱系統太多額外負擔。
當α =1.0為線性黏性之行為；而α ≠1(通常α <1.0)，則為非線性黏性之行為。
α ≤1.0的情形較具實用價值，而α >1.0目前在結構上尚未有具體之效益存在。由圖 4.2 可發現在較小的速度時，非線性阻尼器即可發揮較線性阻尼器大之阻尼力以協 助結構抵抗外力；反之在較大速度時，非線性阻尼器之阻尼力增量變得有限，而線 性阻尼器則維持固定比例增加，當超過某一定值，線性阻尼器之阻尼力反倒會大於 非線性阻尼器之阻尼力。
Velocity, V Damper Force, FD
Line 2
Line 1: FD=CN1Vα, Nonlinear Damper with α<1
Line 3 Line 2: FD=CLV, Linear Damper
Line 3: FD=CN2Vα, Nonlinear Damper with α>1
Line 1
圖 4.2 線性與非線性阻尼器之阻尼力與速度關係
（資料來源：國家地震工程研究中心提供）
圖4.3 為理想液態黏性阻尼器之力量與位移之遲滯迴圈，線性黏性阻尼器之遲 滯迴圈為一完美橢圓形，而非線性阻尼器則隨α 值之逐漸變小而似四角圓滑化之矩 形。因黏性阻尼器不具儲存勁度(Storage Stiffness)，當構架裝設黏性阻尼器時，並 不影響構架之自然頻率，故設計時較為方便。
Force
Displacement nonlinear
linear (α=1)
(α<1)
圖 4.3 線性與非線性阻尼器之力與位移遲滯迴圈
（資料來源：國家地震工程研究中心提供）
叁、液態黏性阻尼器力學性質之識別
第四章 液態黏性阻尼器
Velocity (mm/sec)
Force (ton)
design curve +10% curve -10% curve
[ 100 MT CN :013 ]
F (ton) = 200×V0.3 (m/sec.)
Velocity (mm/sec)
Force of Experiment
(ton)
[100MT CN:013] 0.4Hz 30mm
-120
displacement (mm)
force (ton)
max. force =100.68 ton min. force =-101.41 ton max. displ.= 32.03 mm min. displ.= -30.24 mm
圖 4.5 阻尼器力與位移遲滯迴圈
對於結構單元桿件阻尼比的求取方法，可以追溯到由Raggett(1975)所提出的論 文【24】。對一個已知模態，且成穩態的線性系統，其系統阻尼比可表示如下：