第三章 制震阻尼器之防震原理與應用
3.1 各類阻尼器之簡介
近年來，隨著地震工程與材料科學的突破性發展，創新的結構防震裝 置相繼的發展出來，尤其在世界各先進國家接連發生災難性強震災之推波 助瀾下（如1994年美國的北嶺地震、1995年日本的阪神地震、1999年台灣 的集集地震等），更是加速這些防震新觀念與技術的應用與落實。減震系 統之設計概念是允許地震力傳入結構，藉由額外在建築物中加裝阻尼器來 吸收地震傳入結構之能量，讓阻尼器之非彈性行為來減緩結構的受震反 應，並維持結構主構件在彈性範圍內。凡構成吸能阻尼材料或裝置者，其 元件機構至少必須滿足下列基本要件之一：
流阻特性：利用裝置構件間之相對運動驅動黏滯性流質或膠態材料之流動 而產生阻抗力者。其阻力大小與速度有關，通稱「速度型消能 元件」。
塑性變形：利用材料之塑性變形在往復運動中產生吸能之作用者。其阻力 大小與構件之位移變形有關，通稱「位移型消能元件」。
基於前述特性之阻尼器可再分類如下：
（一）速度型: 液流阻尼器(Viscous Fluid Damper) 、黏滯型制震壁 (Viscous Wall)
（二）位移型: 摩擦阻尼器(Friction Damper) 、 金屬降伏阻尼器 (Metallic Yielding Damper)
（三）混合型: VE 消能斜撐(VE Brace) 、VE制震壁(VE Panel)
此三類消能元件在應用上各有其特性，吾人應考量結構耐震需求進而 選擇適合的阻尼器採用。一般而言，位移型阻尼器本身即具備增加勁度與 增加阻尼之作用。在小地震時，阻尼器具備增加結構勁度之作用（此時阻 尼器尚未發揮消能作用）；當地震夠大時，阻尼器開始發揮消能作用，此 時阻尼器所提供之勁度將減少，因此，依據其特性，可知位移型阻尼器特 別適合具軟弱層或本身勁度不足而產生過大的層間位移的結構。而速度型 阻尼器，主要設計目標在提供結構額外的阻尼比，藉以降低結構受震反
應。過去速度型阻尼器大多應用於高樓抗風設計，近年來已逐漸的應用在 抗震的用途上。速度型阻尼器的優點在結構產生最大變位時，其將不產生 阻尼力，因此不會增加結構梁、柱構件額外的受力。以下將針對速度型、
位移型及混合型阻尼器進行說明。
速度型
液流黏性阻尼器 (Fluid Viscous Damper)：
最早液流黏性阻尼器的應用僅侷限於軍事工業上，其主要用來減少因 發射飛彈所產生之後座力或避免飛彈外部過度振動而引發爆炸。隨著冷戰 結束，製作阻尼技術也逐漸的應用在各個工程領域上，如重工業、土木結 構等方面。液流黏性阻尼器為目前土木結構中最為廣泛使用的消能裝置之 一，除了在減震結構設計上用來消散地震力、風力等外在擾動傳入結構之 能量外，在隔震結構設計上亦利用其特性來增加結構系統之等效阻尼比，
以防止結構產生過大之位移。
液流黏性阻尼器之基本構造如圖3.2所示，其包含了高強度的筒身、油 封、活塞桿及具孔隙的活塞，阻尼器內部充填黏性矽基脂液體(silicone oil)，藉由活塞運動將液態黏性體由阻尼器的一側推至另一側來產生阻尼 力，過程中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 產生太大之影響(-40oC~70oC間維持穩定)。利用活塞上之孔隙及內部機械 構造，可任意改變流體的流動特性使其產生不同的阻尼力性質，如線性或 非線性阻尼力。液態黏性阻尼器的阻尼力來自流體在通過活塞時，活塞兩 側產生的壓力差及液體的可壓縮性，其理想化的線性液態黏性阻尼器之力 量與位移之遲滯迴圈為一橢圓形，如圖3.3所示。
圖 3.2 液流黏性阻尼器構造 圖 3.3 力－位關係之遲滯迴圈 [資料來源：Taylor devices Inc.]
位移型
(1). 摩擦阻尼器 (Friction Damper)：
摩擦阻尼器的構造簡單、安裝方便、價格便宜且性能不受溫度影響，
是常用之消能減震裝置之一。摩擦阻尼器藉由金屬（或非金屬）之間的摩 擦來產生阻尼力來消散地震傳入結構之能量。在為數眾多的摩擦阻尼器 中，其中以「Pall 摩擦型阻尼器」之設計最具穩定之遲滯行為（圖 3.4），
至目前為止，在加拿大已有多棟建築物中採用此類摩擦型阻尼器以提升結 構抗震性能。Pall 摩擦型阻尼器之構造非常簡單，其主要元件包含傳力斜 撐、束制連桿與摩擦介質所共同組成。一般而言，這些阻尼器可利用斜撐 與結構結合，藉由結構受震時之層間變位使阻尼器之傳力斜撐產生拉、壓 之往復運動中達到摩擦消能之目的。其理想化之力學行為可用庫侖模式進 行模擬，遲滯行為如一矩形 (如圖 3.5)。
圖 3.4 Pall 摩擦型阻尼器 圖 3.5 力－位關係之遲滯迴圈 [資料來源：Pall Dynamics Ltd.]
(2). 金屬降伏型阻尼器 (Metallic Yielding Damper)：
金屬降伏型阻尼器的原理係藉由鋼板降伏後的非彈性變形來消散地震 能，因材料取得容易、成本低、耐久性佳、免維護及消能之能力與振動頻 率或溫度無顯著關係等特點，使得其在結構防震應用上極具競爭力。
金屬降伏型阻尼器又稱加勁阻尼器（Added damping and added stiffness ADAS），最早由美國Whittaker等人所提出【10-12】。係由多片X-形鋼板並
排，每兩片鋼板之間在上、下端以墊片隔開，再以螺桿前後貫穿所有的鋼 板串接而成，如圖3.6所示。金屬降伏型阻尼器一般皆透過倒V字型斜撐固 接於梁柱構架中，利用層間剪力來驅使X型鋼板產生非彈性的彎曲變形以 消散地震所傳入結構之能量。金屬降伏型阻尼器在消能鋼板降伏前，其行 為猶如加勁斜撐，具提升結構勁度之作用，可降低結構受震後之位移反 應，當消能鋼板產生降伏後，則藉由非彈性變形所產生之遲滯行為可提升 結構阻尼，故能大幅的增進結構之耐震能力。為使金屬降伏型阻尼器之消 能容量提昇，其鋼板均裁成X形或三角形，當垂直於鋼板之側向力作用時，
鋼板斷面的彎矩均沿鋼板高度呈線性變化，所以鋼板曲率上下皆均勻分 佈，當X 型鋼板受力降伏時，整塊鋼板會同時全面降伏，故可具備較大之 變形與消能能力。其理想化之力學行為可用雙線性模型模擬，如圖3.7。
Displacement Force
圖 3.6 金屬降伏型阻尼器 【19】 圖 3.7 力－位關係之遲滯迴圈
混合型
(1). VE 消能斜撐 (VE Brace)：
由具有自黏性之高分子橡膠材料連接於鋼板間，該材料具有無毒、耐 高溫（1,300oC）、耐久性佳等特性，在動態變形過程中展現優異的吸能作 用，可吸收設備或結構因地震、風力或其他外來擾動引起之振動能量，為 VE Brace制震元件之核心構材。
圖 3.8 VE 消能斜撐示意圖 (2). VE 制震壁 (VE Panel)：
優點: 減震性能佳、無漏油及維修問題、空間相容性高（10~20cm厚）、
製程簡單、成本較Viscous Wall低、交貨期短 缺點: 性能略受溫度影響
圖 3.9 VE 制震壁示意圖
3-2 金屬降伏阻尼器
金屬降伏型阻尼器應用於建築結構【6】，由於本身具備增加勁度與增 加阻尼之作用，因此又稱為加勁阻尼裝置(Added damping and added stiffness, ADAS)。小地震時，本身可藉由加勁作用減少結構層間變位，而 當大地震時其除了加勁外，尚可藉由金屬鋼板的彎矩降伏產生遲滯阻尼 (hysteretic damping)來消散地震輸入結構之能量。
3-2-1 金屬降伏阻尼器之力學原理
圖 3 .10 阻尼器之受力示意圖 鋼板所受剪力
P
與兩固定端彎矩之關係為P=(Ma+Mb)/h，由於兩端對稱，因此 Ma=Mb=M
P=2M/h (3.1) M=Ph/2 (3.2)
首先考慮鋼板在h/2 處之寬 b=0 之理想條件下
，
斷面彎矩 M(x)=Ph/2-Px=P(h-2x)/20 2h x≤
≤
斷面之二次慣性矩 (3.3)
P P
M
aM
bB
h b t
x
I(x)=Bt3(1-2x/h)/12
A A-A section
t b
h/2
B
圖 3 .11 阻尼器取半分析示意圖
考慮 X 形鋼板上下兩端為完全固接，且同時考慮其彎矩及剪應力效
若加勁阻尼裝置係由N 片 X 型消能鋼板所組成，則整組金屬降伏型阻尼裝
h
考慮距自由端x 處斷面之應力分佈，其彎矩可表示為
y
P/Py
圖 3.13 X 形金屬降伏阻尼器力與位移的關係
3-2-2 金屬降伏阻尼器之消散能量能與
位移之關係
以位移控制方式對 X 形金屬降伏阻尼器進行往覆載重實驗，位移幅度 Δy
=
Δ μ ， μ ＞1，其中 μ 為韌性比。在每一回合往覆載重下，金屬降伏阻 尼器侧力與位移之關係形成一遲帶迴圈，如圖 3.10 所示。遲滯迴圈所包圍 的面積即為單一循環所消散的能量U/PyΔy，韌性比與消能面積之關係曲線 如圖 3.14 所示【16】。
P/Py
圖 3.14 X 形金屬降伏阻尼器遲滯迴圈
若將金屬降伏阻尼器之單一循環所行走的路徑示由座標點Ａ以順時針
方向依次經過 B、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ，最後回到Ａ點，完成單一循環（如圖
其中 2
本段曲線之程式為
U/PyΔy
圖 3.15 侧位移與消能面積關係
P/Py
圖 3.16 X 形金屬降伏阻尼器單一循環所行走的路徑示意圖
3-2-3 金屬降伏阻尼器之安裝
3-2-3-1 減震結構設計規劃
消能減震設計概念不同於隔震設計，其必須於結構內部裝設消能阻尼 器，因此相當程度上會影響到結構內部的空間規劃與設計，此部分需與建 築師進行適當的溝通，使得在進行結構減震設計時可兼顧結構之空間規劃 與防震需求。然而，對於消能器之安裝，仍有一些原則性的要求，以下就 基本的安裝要求進行說明：
(1). 由下而上配置
地震力的傳輸路徑是從基礎由下而上傳遞，若能在結構低樓層部分即 將地震能量消除，整體結構之防震力自然會提昇。此外，依照力量的傳遞 路徑，在底層結構將承受較大之剪力，因此阻尼器若能由下往上配置將有 助於降低底層柱的剪力需求。
(2). 立面連續配置
對於結構立面，消能元件安裝須作連續性之安排，不宜於局部樓層跳 空裝設，避免因力量傳遞不連續而造成局部構材產生過大之額外應力，甚 至形成軟弱層而不利結構安全。
(3). 平面對稱配置
消能元件之安裝位置在結構平面上應儘可能作對稱性之安排，避免勁度 分配失衡而導致額外之扭轉現象。此外在平面上亦應盡量朝結構外圍配置 使消能器可以大幅吸收結構因不對稱所產生的扭矩效應。此外，若原結構 勁度配置不理想時，亦可透過具有加勁型之消能器安裝來平衡其扭轉效應
消能元件之安裝位置在結構平面上應儘可能作對稱性之安排，避免勁度 分配失衡而導致額外之扭轉現象。此外在平面上亦應盡量朝結構外圍配置 使消能器可以大幅吸收結構因不對稱所產生的扭矩效應。此外，若原結構 勁度配置不理想時，亦可透過具有加勁型之消能器安裝來平衡其扭轉效應