第六章 結論與未來展望
照片 2. 3.2 LRB 於設計位移 125%之變形
第三章 中間樓層隔震縮尺結構振動台試驗
為探討有無受到模態耦合效應影響之中間層隔震結構反應之差異，並與理論 分析結果相驗證，於國家地震研究中心進行一系列縮尺振動台試驗。本章內容主 要介紹中間層隔震縮尺結構振動台試驗，包括國家地震研究中心之三軸向地震模 擬振動台簡介，三層樓中間層隔震縮尺結構試體設計規劃、LRB 設計檢核程序與 元件測試結果，以及試體之量測機制。
3.1 三軸向地震模擬振動台
國家地震研究中心(National Center for Research on Earthquake Engineering，
NCREE)地震模擬實驗室之地震模擬振動台如圖 3.1.1，總共有六個自由度以模擬三 軸向之地震，皆能在地震模擬實驗室模擬重現目前發生於世界上之主要地震。地 震模擬振動台之平面尺寸為5 公尺乘 5 公尺，質量為 27 公噸，超過試體最大質量 50 公噸的一半，可減少振動台和試體之間的互制效應。振動台為一矩形結構體，
充分利用有限之質量來提高其彎矩及扭轉勁度。振動台由油壓致動器驅動，每一 軸向各有四支致動器，三軸向共十二支致動器。振動台與其上試體等之重力係由 四支垂直靜力支承所承受，垂直靜力支承利用壓縮空氣的方法提供承載力，每支 承載力為21 公噸，4 支共可承載 84 公噸，調整氣缸內之空氣壓力來抵消總運動質 量之重力，如此一來垂直致動器僅需提供動態力量即可驅動振動台。油壓泵提供 油壓動力以推動致動器，兩部電動油壓泵及三部柴油油壓泵總共能提供流量 1,325gpm，而液壓油的工作壓力為 210kg/cm2。油壓泵提供系統所需之平均流量，
而蓄壓器則提供尖峰流量所需之差異量。致動器驅動振動台時所需之反力由反力 質塊提供，反力質塊尺寸為 16 公尺(長)×16 公尺(寬)×7.6 公尺(深)，質量約 4,000 公噸。為了要進一步改善工作環境與實驗環境之品質，以隔震系統將反力質塊與 固定基礎分隔開，此時反力質塊即成為浮動基礎，隔震系統係由96 組空氣彈簧及 80 組阻尼器所組成。
3.2 三層樓縮尺中間層隔震結構試體
試驗結構設計為縮尺比例 1/4 之單跨三層樓鋼構架，共規劃兩組鋼構架，其 上部結構柱長皆為2.5 公尺，第一組鋼構架下部結構柱長 0.8 公尺，第二組鋼構架 下部結構柱長2 公尺，結構各樓層平面尺寸皆為 3 公尺(長)乘 2 公尺(寬)，圖 3.2.1 與圖3.2.2 分別為第一組與第二組鋼構架設計圖。整體構架包括剛性樓版組、鋼柱 與LRB，鋼柱分為上部結構柱長 2.5 公尺、下部結構柱長 0.8 公尺與 2 公尺三種尺 寸，設計如圖3.2.3 至 圖 3.2.5，其中上部結構柱上兩處焊有轉接板可另外接合梁 構件與剛性樓版，以供後續研究多自由度時使用，其尺寸如圖 3.2.6，上部結構柱 轉接板尺寸如圖 3.2.7，下部結構柱分別與隔震層以及基底相接，其轉接板尺寸如 圖3.2.8 與圖 3.2.9；剛性樓版組由兩部分焊接而成，分別為剛性樓板與(圖 3.2.10) 上覆鋼板(圖 3.2.11)，剛性樓板由梁組成，梁與鋼柱尺寸皆採用 H150×150×7×10 型 鋼，梁柱接頭尺寸如圖 3.2.12， 其轉接板尺寸如圖 3.2.13。鋼構架材料為 A36，
其楊氏係數E=214100000kN/m2、降伏強度 Fy=254881kN。
試驗總共規劃四組試體，隔震層上方樓板質量定為 3kN−sec /2 m，質量塊一 組為 0.25 噸，配合剛性樓板組原有重量 2.5 公噸，則需再配置兩組質量塊，第一 二組試體使用第一組鋼構架，第三四組試體使用第二組鋼構架，改變各組上下部 結構質量配置，詳細四組試體設計參數以及探討方向分別說明如下:
(1)第一組試體
使用第一組鋼構架，參數設定參照土木新系館：m1/m2=1.7，m3/m1=4.7，
* *
1 / 2
ω ω =37.9 與ω ω =4.3，故設計得到上部結構質量為 14.13* / 2* kN−sec /2 m，需於剛 性樓板下加裝一片鋼板並配置42 組質量塊，下部結構質量則為 5kN−sec /2 m，質 量塊需配置10 組，第一組試體於振動台上之試驗構架如照片 3.2.1，期能透過縮尺 試驗以探討土木新系館於此參數下之結構特性。
(2)第二組試體
使用第一組鋼構架，參數設定如下：m1/m2 =1.7，m3/m1 =4.7，ω ω =37.91*/ 2* 與ω ω =4.3，質量配置方面，上部結構質量為 93*/ 2* kN−sec /2 m，共配置21 組質量 塊，其中 7 組質量塊採偏振動台東側配置，下部結構質量 5kN−sec /2 m，共配置 10 組質量塊，第二組試體於振動台上之試驗構架如照片 3.2.2，藉由上部結構質量 採偏心配置，以探討中間層隔震之扭轉效應。
(3)第三組試體
使用第二組鋼構架，參數設定如下：m1/m2=1.7，m3/m1=4.7，ω ω =10.3 與1*/ *2
* *
3 / 2
ω ω =4.3，質量塊配置數量及方式與第一組試體相同，第三組試體於振動台上 之試驗構架如照片 3.2.3，欲探討中間層隔震之模態耦合效應，與對照第一組試體 之試驗結果以了解相關動力特性差異。
(4)第四組試體
使用第二組鋼構架，參數設定如下：m1/m2=1.5，m3/m1=2.4，ω ω =11 與1*/ 2*
* *
3 / 2
ω ω =6，上部結構質量為 7.2kN−sec /2 m，共配置14 組質量塊，下部結構質量 為4.5kN−sec /2 m，共配置8 組質量塊，第四組試體於振動台上之試驗構架如照片 3.2.4，其目的與第三組試體相同，欲探討中間層隔震之模態耦合效應，並與其試 驗結果做一比較，期能更為了解中間層隔震結構受到模態耦合效應影響下的動力 行為。
試驗長度縮尺比例為 1/4，根據因次分析理論，縮尺模型與原始結構之時間 比例關係為 1/2，故振動台模擬試驗之加速度歷時皆須調整時間軸以滿足此項縮尺 特性。
依據我國最新建築物耐震設計規範及解說對震區劃分之訂定，試驗採台北三
區作為設計工址，在此爲對應研究實例之分析結果，以最大考量地震需求為設計 依據，圖 3.2.14 為其工址最大考量水平加速度反應譜，而縮尺試驗用之工址最大 考量水平加速度反應譜列於圖3.2.15。
振動台縮尺試驗採雙軸向地震力輸入，本文將主要探討結構長向反應，並以 短 向 與 雙 向 試 驗 結 果 作 為 輔 佐 以 更 加 了 解 結 構 特 性 ， 所 採 用 之 地 震 歷 時 為 331TAP097、921TAP097、921NCREE、614NCREE 四組真實地震紀錄以及兩組與 設計水平加速度反應譜相符之人造地震歷時 331TAPO97 Code Compatible、
921NCREE Code Compatible，圖 3.2.16 至圖 3.2.21 為六組加速度歷時圖，其相對 應之加速度與位移反應譜分別列於圖3.2.22 至圖 3.27 及圖 3.2.28 至圖 3.2.33。
在每組試體進行地震模擬試驗前，為識別試體構架之結構特性，必須先進行 一次白訊試驗，以隨機製造一頻率內涵包含0 到 50Hz 之白訊(White Noise)當作地 震輸入力，獲取構架各樓層輸出反應，透過轉換函數得到各樓層對基底於頻率域 之振幅比值，從中可得到構架之各模態頻率、振態與阻尼比等資訊。除此之外，
於每組試體改變試驗方向時也會進行一次白訊試驗以確認LRB 回復原狀。
3.3 鉛心橡膠支承墊
試驗之三自由度縮尺結構使用的隔震支承系統採鉛心橡膠支承墊(LRB，Lead Rubber Bearing，以下介紹 LRB 的基本構造與力學特性、力學行為參數與細部尺寸 之設計流程以及元件測試結果。
3.3.1 基本構造與力學行為
LRB 為目前隔震建築物最廣為應用之隔震支承系統，為一種橡膠式隔震元 件，基本構造如圖 3.3.1，由低阻尼橡膠隔震元件改良而成，以一層鋼板一層橡 膠膠結而成，其核心灌入鉛心柱，上下轉接版用以固定支承，其中橡膠具有較低
之水平勁度以延長上部結構週期有效大幅降低地震能量，鋼板提高隔震元件之垂 直勁度以支撐上部結構垂直載重並避免橡膠過度受壓膨脹，鉛本身具有高韌性，
但無圍束情況下不易吸收地震能量，若讓其受到周圍橡膠鋼板的固定，則比較容 易進入剪力變形以發揮吸收能量的功能，提高系統阻尼比，且鉛心柱於消能後會 再結晶，重複變形也能安定。
LRB 之力學特性常以一雙線性遲滯迴圈模擬，如圖 3.3.2 所示，相關參數說 明如下:
D：LRB 之設計位移
D ：LRB 於鉛心降伏時之位移 y
Q ：LRB 之特性強度 d
F ：LRB 之於鉛心降伏時之力量 y
Keff ：LRB 之有效勁度
K ：LRB 之彈性水平勁度 u
K ：LRB 之非彈性水平勁度 d
3.3.2 設計與檢核程序
首先設計LRB 之力學特性參數，步驟如下：
步驟1. 決定位於隔震系統上方結構總重量，並計算每個隔震支承墊所承受之 上部重量W
步驟2. 決定隔震結構之設計週期T e
步驟3. 決定 LRB 貢獻之阻尼比
ξ
bLRB 之相關力學特性參數設計完成後，需進一步設計 LRB 之細部尺寸並進行
3
r 計(Load Cell)裝設於隔震元件下方以量測元件之軸力與剪力，位移計則裝置於隔震 元件與測力計相接處量測元件相對位移，如照片3.3.2。測試時採用控制位移 5cm，
質參數如表 3.3.2 所示。若以原設計值進行檢核，有效勁度與其設計值誤差為 -2.3%，在規範規定範圍內，而在能量消散面積與有效阻尼部分，與其設計值比較 也略小，可能對於實際LRB 消能情況產生些許影響，而從遲滯迴圈圖也可發現在 中段部分皆發生束縮的現象，原因可能在於當初設計時為配合試體整體結構設 計，鉛心直徑有所限制，造成LRB 在製作上有一定之困難度，且小尺寸支承墊在 精度上也不易掌控。
3.4 量測機制
實驗使用之量測儀器包括位移計、加速度計、測力計以及應變計，總共裝設 92 個頻道數，如表 3.3.3 所示，以下分別說明四種感測器配置位置、數量與量測資 訊。
(1) 位移計
使用 Temposonics Ⅱ Transducer(照片 3.4.1)以磁致共振原理進行量測，裝設 位置如圖3.4.1，於每個樓板同一方向同一柱線裝設 2 個，雙向共 4 個，三個樓層 共12 個頻道，位移計量測訊號為絕對位移，所以必須先扣除掉振動台之位移量方 可得到各樓層之相對地表位移。裝置於樓板兩側對應於同一柱線的位移計，透過 迴歸的方式可得到質心的反應，也可藉由比較兩者之位移反應，得知樓板之扭轉 反應。
(2) 加速度計
如照片3.4.2，配置如圖 3.4.2，於振動台上裝設三軸向加速度計，紀錄輸入結
構之地震力，藉此與其他樓層做相應比較。下部結構樓板與隔震上方樓板皆裝設3
個長向水平與 3 個短向水平加速度計，由於下部結構勁度較大，在垂直向搖擺放
個長向水平與 3 個短向水平加速度計，由於下部結構勁度較大，在垂直向搖擺放