有效的結構防震消能元件─液流阻尼器

徐德修　私立立德管理學院營建科技學系教授

國立成功大學退休名譽教授

在實際的設計工作上，不再滿足於僅將結構物視為靜力系統，配合發展快速的資訊工程，電腦作業的強大功能完全可以應付動力分析及設計的需求

半世紀前，土木工程師幾乎只有靜力結構的設計觀念，在土木工程學系的大學部課程裡，看不到什麼以動力觀念進行設計方面的課程，或是雖然有這門課，但並不如機械系航空系等如是重視。數十年來，土木建築結構逐漸被視為動力系統(理當如此)，所以，在土木工程相關學系的課程中，動力學以及以動力系統設計結構物方面的課程分量加重了。在實際的設計工作上，不再滿足於僅將結構物視為靜力系統，配合發展快速的資訊工程，電腦作業的強大功能完全可以應付動力分析及設計的需求。所以，將土木結構視為動力系統，成為當然的事。若針對高樓結構及因應颱風、地震等外力侵襲的結構，更是必須進行動力分析與設計方才顯得合理。式(1)是一個代表靜力系統的式子；式(2)是一個代表動力系統的力學式，但是忽略了阻尼效應；式(3)則是一個更為一般性、代表動力系統的力學式。

                                                    (1)

                                                (2)

                                            (3)

式(1)到式(3)中，、、分別代表位移、速度、加速度；M、C、K、P分別代表結構的質量、阻尼係數、勁度及外力。

從這三個式子中，我們可以很容易的體會出它們的不同，從簡單而複雜。式(1)將結構視為靜力系統，根據這樣的思考角度，如果要設計一個防震結構，只要加大勁度，就可以減小結構位移反應。如果將這樣的防震理念放到式(2)中，很容易可以看出，只利用增加勁度的防震觀念，雖然很容易達到減小位移的目的，但是很顯然將放大加速度之值。如果要利用材料特性發揮消耗能量的作用，一定要使結構位移足夠的大，大到超過了材料的降伏點，才會發揮消能的作用。在材料達到降伏點之前，它們是沒有消能作用的。所以，即便增加了勁度，減小了位移，顯然將使加速度增加，以便容納無法釋放的能量。

一般結構都具有些許阻尼消能的功能。因為有這一個阻尼項，可以使得結構在還沒有進入大位移時，就開始消耗能量

式(3)中，除了過大的位移造成材料降伏將消耗能量外，只要系統有速度，項就提供了消能的功能，一般結構都具有些許阻尼消能的功能。因為有這一個阻尼項，可以使得結構在還沒有進入大位移時，就開始消耗能量，能量消耗掉了，當然位移和加速度也就跟著減小了！這就是為什麼近年來在防震工程上，阻尼器的研發備受重視的原因。加裝組尼器的結構，等於加大了結構的阻尼係數，如此則更易將外力加諸於結構的能量消耗掉。在結構位移還很小，只要一旦有速度，就開始消能，如此則更易保護結構物，不至進入降伏位移，確保結構的安全。

若是僅以提供加強勁度並以材料降服來提供消能功能的消能元件，若真的在受力期間降伏並消能，則在外力解除後，更換元件將成為必然之修復過程

我們也可以從另外一個角度來體會：結構的消能若要以材料應變超過降伏點之後才能發揮，那麼就算達到了消能的功能，但因材料已然降伏，產生了永久變形，當非正常之外力(如地震力)解除後，產生了永久變形的消能器已然是破壞了的材料元件。再者，這類永久變形勢必影響結構整體之變形，理論上無法使結構回覆至原形。所以，若是僅以提供加強勁度並以材料降服來提供消能功能的消能元件，若真的在受力期間降伏並消能，則在外力解除後，更換元件將成為必然之修復過程。換言之，若是使用增加阻尼係數的消能元件(如液流阻尼器)，不是利用材料降伏來消能的，所以，在消能過程中，完全沒有材料破壞的問題。簡單的說：液流阻尼器不會在減震過程中遭受破壞，當然就沒有震後修復的問題，這是有理由將液流阻尼器裝設在結構中進行防震作業的另一原因。

以上我們使用很簡要易懂的語言，敘述了結構防震理念，以及利用阻尼器進行防震措施的理由。

除了還有一些其他廠商可以提供合適的土木建築結構防震阻尼器外，Taylor Devices Co.是一家很有規模的液流阻尼器製造公司，他們藉助以往製造飛彈發射器上的減震阻尼支座所累積的經驗，很成功的將技術轉移至土木結構防震阻尼器的製造與生產上，而且很成功的打開行銷市場，從網路上可以很容易得到一些資訊，知道該公司目前就是依靠行銷土木結構防震阻尼器來維持整個公司運作的。

為了要了解阻尼器的性能，我們進行了阻尼器動態循環測試；為了證實我們分析設計的能力，我們進行了振動台結構模型試驗及足尺寸結構模型試驗

為了讓這項技術本土化，成功大學土木工程學系的研究團隊十餘年來試圖在國內研發製造可資實際應用的土木建築結構防震液流阻尼器，提升國內生產能力。從小型的模型設計到全尺寸液流阻尼器的生產、製作、及測試，幾經改良，歷經了幾個階段。為了要了解阻尼器的性能，我們進行了阻尼器動態循環測試；為了證實我們分析設計的能力，我們進行了振動台結構模型試驗及足尺寸結構模型試驗。在進行模型試驗的階段中，自行設計安裝的試驗設備即可應付，均在校內執行；為了進行足尺寸阻尼器性能測試及結構振動台耐震實驗，我們借用了國家地震工程研究中心的試驗設備，數年來除了仰賴國科會專題研究計畫之經費，特別感謝中興工程顧問社提供的研究計畫及經費，方使相關研究項目得以順利執行。

在此提供一些試驗成果，謹供技師朋友先進同道們參考。圖一是一張全尺寸液流阻尼器在國家地震工程研究中心試驗時拍攝的照片，兩枚100噸的MTS制動器並聯在一起提供這支阻尼器測試之動力需求。圖二顯示穩定性測試之結果，特別將測試結果與Taylor Devices 公司之測試結果並列，相較之下，相對於該公司產品測試結果之逐漸下滑現象，足可證實本土產品之優越性。

表一臚列了五支本土產品進行性能測試之結果，包括一支50噸、三支80噸、及一支120噸的全尺寸液流阻尼器的性能測試試驗結果。三支同一設計尺寸的80噸級的阻尼器之測試結果甚為接近，證明本土產品之製作品質可以確保；噸位較低的阻尼器之破壞模式多數為漏油，這是我們所期望的破壞模式。它們在破壞時之反應噸位均約為設計噸位之兩倍，顯示其安全係數約為2。其中最大噸位之阻尼器(120噸者)在加載至國家地震工程研究中心設備所能提供之最大能量(187噸)時，仍未見破壞現象之發生。

將五支阻尼器之阻尼力-速度(F-V)關係圖描繪出來，見圖三，從這個圖中的資料，我們可以在進行土木建築結構的防震設計時，選用合適的阻尼器，當然最好同時考量安裝的合適位置，以便獲得更加滿意的防震效果。

經過這些實體測試及研究成果，我們很有信心及把握的說：本土研發設計製造之結構防震液流阻尼器較之國外產品毫不遜色！而且製造成本低廉，值得各單位及技師們在進行土木建築結構耐震防震設計時，考慮採用。

圖四是一張本土產品的量產照片，國內已有機械工廠接受委託，為某耐震補強工程進行這項量產工作，可望在不久的將來，我們可以目睹台灣有使用本土設計生產的液流阻尼器進行耐震補強的實際案例。

如有興趣對這項本土產品之研發過程及特性、或對此產品在應用時之設計理念等做進一步之了解，請參閱下列系列性之專文：

1.徐德修，李永峰，(June,1998)，「結構液流阻尼器之設計及應用」，結構工程，第十三卷，第二期，31-41頁。

2.徐德修，李永峰，王冠凱，侯建元，(Sept. 2004)，「液流阻尼器減震實體測試之研究」，結構工程，第十九卷，第三期，43-55頁。

3.徐德修，李永峰，李俊德，侯建元，(Sept. 2004)，「錘撞試驗在液流阻尼器特性測試之應用」，中國土木水利工程學刊，第十六卷，第三期，477-485頁。

4.李永峰，侯建元，徐德修，(Sept. 2006)，「足尺寸液流阻尼器之認證測試及應用設計」，結構工程，第廿一卷，第三期，116-128頁。

圖一　足尺寸液流阻尼器測試（李永峰提供，2006）

(a)自製液流阻尼器（李永峰，2006）   (b) Taylor Devices

圖二　穩定性測試結果

圖三　阻尼力-速度關係圖（李永峰，2006）

圖四　量產成品（李永峰提供，2006）

表一　五支足尺寸液流阻尼器之性能測試結果（李永峰，2006）