結構耐震設計：鋼結構阻尼比之設定

鍾立來^1,2,3、楊智斌³、涂耀賢^3,4、邱聰智^1,5、林敏郎¹、王丁進⁶

¹ 國震中心、² 臺大土木系、³ 翔威公司、⁴ 德霖科大 土木系、⁵臺科大 營建系、⁶ 禾華營造公司

設計反應譜，原為結構基本振動週期T及阻尼比之函數，其圖形需要以三維之曲面表示之，難以呈現。一般建築結構未額外加裝阻尼器，大多為輕度阻尼，阻尼比在0.05以內。建築結構以鋼筋混凝土構造佔最大宗，在地震之作用下，因混凝土無法承受拉力，當鋼筋混凝土構件受撓曲行為時，會讓構件兩側交互形成拉力側及壓力側，在構件尚未降伏前，受拉力側之開裂，裂縫就會產生，進而消散地震輸入之能量，鋼筋混凝土結構之阻尼比遂設定為0.05，且適用於三地震等級(中小度、設計基準及最大考量)。

鋼結構於降伏前，不會開裂，阻尼比應低於鋼筋混凝土結構。可是，當結構降伏後，鋼結構在地震往復運動下，遲滯迴圈較鋼筋混凝土結構飽滿，消散能量較多，其阻尼比應不低於鋼筋混凝土結構。本文旨在探討『鋼結構在三地震等級之阻尼比的設定』，供工程界參考。

一、中小度(31年)地震

在中小度地震之下，建築結構尚未降伏，鋼結構沒有開裂的問題，而鋼筋混凝土結構已出現微小的張力裂縫，故消散之能量較多，因此，鋼結構之阻尼比較鋼筋混凝土低。此一特性反映於「建築物耐風設計規範」[2]第2.7節，陣風反應因子，在設計風力之作用下，結構尚未降伏，鋼結構之阻尼比較鋼筋混凝土低，耐風規範[2]建議：鋼構造建築物之阻尼比為0.01；鋼筋混凝土構造建築物或鋼骨鋼筋混凝土構造建築物之阻尼比為0.02。

中小度地震之設計震度低，不會是由鄰近斷層錯動所引致，因此，譜加速度之計算不須要考慮近斷層效應。

二、設計基準(475年)及最大考量(2475年)地震

三、層間位移檢核之地震

四、案例

五、結語

相較於鋼筋混凝土結構，於結構降伏前，鋼結構不會開裂，消能較少，阻尼比較低；於結構降伏後，鋼結構之遲滯迴圈較飽滿，消能較多，阻尼比較高。因此，鋼結構在設計譜加速度之計算上，中小度地震(31年)之阻尼比0.02，設計基準(475年)及最大考量地震(2475年)之阻尼比0.05。層間位移角檢核之地震力不大，結構仍未降伏，阻尼比取0.02。

在本文範例設計地震力之計算程序中，具特殊抗彎矩構架之鋼骨結構，有良好的韌性容量R，地震力折減多，最大考量地震遂不控制；中小度地震不須考慮近斷層效應，譜加速度不必放大，故中小度地震亦不控制。因此，由設計基準地震控制，得設計地震力。層間位移角檢核之地震力，高於設計地震力，其原因是：雖不必考慮用途係數之放大，但在規範尚未修訂前，仍須納入考慮近斷層效應。

參考文獻

1.  內政部營建署(2022)，「建築物耐震設計規範及解說」，111.6.14台內營字第1110810765號令修正部分規定，自111年10月1日生效。

2.  內政部營建署(2014)，「建築物耐風設計規範及解說」，103.6.12台內營字第1030805400號令修正，自104.1.1生效。

3.  邱聰智、鍾立來、涂耀賢、賴昱志、曾建創、翁樸文、莊明介、葉勇凱、李其航、林敏郎、王佳憲、沈文成、蕭輔沛、薛強、黃世建(2020)，「臺灣結構耐震評估與補強技術手冊 (TEASPA V4.0)」，國家地震工程研究中心，研究報告NCREE-2020-005。

4.林敏郎、欒大誠、王勇智、鍾立來(2018)，「鋼構造建築物耐震能力詳細評估」，國家地震工程研究中心，研究報告NCREE-2018-012。 

表1  短週期與長週期結構之阻尼比修正係數[1]

阻尼比	短週期結構之	長週期結構之
(%)	阻尼比修正係數Bs	阻尼比修正係數B1
<2	0.8	0.8
5	1	1
10	1.33	1.25
20	1.6	1.5
30	1.79	1.63
40	1.87	1.7
>50	1.93	1.75

表2  各級地震之參數