臺灣博碩士論文加值系統

本文係研究結構裝置諧調液柱阻尼器(Tined Liquid-Column Damper，簡稱TLCD)受外力擾動時之減震功能，諧調液柱阻尼器係由U型管及U型管內液體(或水)所構成，調整U型管液體長度(即水平管長度與垂直管水頭高度)，可以改變U型管內液體的自然週期，當自然週期達諧調週期及阻尼比達最佳阻尼比時，此液柱阻尼器即稱為諧調液柱阻尼器，對結構物有最佳的減震效果。
因一般TLCD 只能調整U 型管內液體長度來改變U 型管內液體運動之自然週期，所以U 型管尺寸相對而言較不易選擇及設計，且開口式諧調液柱阻尼器為被動式震動控制裝置減震效果有限，為增加減震效果需增加液體的質量，應用上亦感不便。為達實用之目的，我們可在U 型管之水平管中央處裝置二個同軸螺槳，並引入主動控制理論，藉由結構動態反應計算出控制力大小，再以伺服馬達控制螺槳轉動以外加控制力的方式強制降低結構震動，即成為〝螺槳控制之主動式諧調液柱阻尼器(ATLCD)〞，其具有主動式及被動式TLCD 之特性與優點，當結構物震動量未達到某一限度，主動控制系統不啟動，伺服馬達及螺槳均不啟動，可視為被動式諧調液柱阻尼器，具一定程度的減震效果，當結構物震動量超過某一限度時，電腦立即啟動伺服馬達藉由主動控制技術來驅動螺槳，因螺槳在U 型管內的限制水域中轉動，故可高效率的增加液體流動量提高減震效果，進而控制震動量於一定範圍內，以達到結構物減震之目的。實際施行主動控制時，因控制力的大小為系統狀態的回授與控制力加權矩陣之乘積，其大小隨時間不停的改變，螺槳作用的時間相當短暫，因此我們將每一時間間隔螺槳所施加的控制力視為衝力，在估算螺槳所施加的控制力時，先給予控制伺服馬達一作用時間極短的電壓值，使螺槳作一短時間的運轉進而帶動U 型管內水位有一高低變化，紀錄此水位歷時，再代入單自由度系統在一衝力作用下之自由振動位移反應公式，即可估算此一電壓下螺槳控制力的大小。
在本文中我們比較四個不同構架裝設被動式液柱阻尼器(TLCD)、主動式液柱阻尼器(ATLCD)及質量阻尼器(TMD)之減震效果，由結果可看出當構架裝設TMD 或TLCD時皆有不錯的減震效果，惟外力頻率與構架頻率相距較遠時減震率略低，若改採ATLCD 提供系統額外的能量，則可進一步提升各種構架的減震效果且應用範圍也較廣泛，不侷限於外力的頻率與主結構頻率相近時才有減震效果，此外並以一單層剪力剛架為例，探討主動控制的啟動時機與減震效果，找出一個能達到節能與減震效果的啟動時機。
本文中我們也嘗試以一較簡便的方式改良被動式液柱阻尼器的減震效果，即先讓U型管內液體預先提高至一初始水位，藉由控制此一初始水位的高度及釋放時間點來提高TLCD之減震效果，由計算結果可知若預設水位與釋放時間點選擇得宜可大幅降低結構的位移反應，有時更可媲美主動控制的減震效果，我們將此TLCD暫稱作半主動式TLCD，其減震效果與水位釋放的時刻有密切的相關性，我們於文中作進一步的討論。
最後我們設計一簡單的實驗驗證液柱阻尼器的減震效果，將液柱阻尼器裝設於結構模型上，並分別以簡諧力及地震力擾動此一模型，作被動及主動控制實驗，檢視簡諧與地震擾動的實驗結果，可驗證不論被動式或主動式U型管液柱阻尼器皆為一有效之減震裝置。由本文各例題之計算及實驗結果可知，不論是半主動式或主動式諧調液柱阻尼器因減震效果卓越，且結構簡單所佔空間有限，亦不需改變原構造物之結構系統，因而應用相當廣泛，舉凡高層大樓、橋樑、海域平台、船舶、車輛、機器等均可適用，故極具學術研究及經濟開發的價值。

The dynamic characteristics of the passive, semi-active, and active tuned-liquid-column dampers (or TLCDs) are studied in this paper. The design of the latter two are based on the first one. A water-head difference of a passive TLCD is pre-set to form the so-called semi-active one in this paper. The pre-set of water head is released at a proper time instant during an earthquake excitation in order to enhance the vibration reduction of a structure. Two propellers are installed along a shaft inside and at the center of a passive TLCD to form an active one. These two propellers are driven by a servo-motor controlled by a computer to provide the control force. The seismic responses of shear building with a passive, semi-active, and active TLCDs are computed for demonstration and discussion. The responses of this building with a tuned mass damper are also included for comparison. The small-scale shaking-table experiments of a pendulum –like system with a passive or active TLCD to harmonic and seismic excitations are conducted for verification.

第一章緒論
1.1 研究動機……………………………………………………1
1.2 文獻回顧……………………………………………………7
1.3 論文架構……………………………………………………8

第二章被動式諧調液柱阻尼器
2.1 諧調液柱阻尼器之基本理論………………………………9
2.2 諧調液柱阻尼器之設計參數………………………………14
2.3 諧調液柱阻尼器之設計曲線………………………………24
2.4 諧調液柱阻尼器之結構分析模擬…………………………27

第三章螺槳控制主動式諧調液柱阻尼器
3.1 主動式諧調液柱阻尼器之簡介暨運動方程式……………31
3.2 離散時間下之狀態空間運動方程式………………………34
3.3 主動式諧調液柱阻尼器之最佳主動控制設計……………36

第四章裝設TLCD、ATLCD 或TMD 之結構承受地震或風力之減震效果
4.1 單層剪力剛架………………………………………………40
4.2 五層剪力剛架………………………………………………52
4.3 一層三維剪力剛架…………………………………………56
4.4 台北101 大樓………………………………………………67
4.5 結論…………………………………………………………76

第五章半主動式諧調液柱阻尼器
5.1 預設水位對減震之影響……………………………………77
5.2 釋放時間點對減震之影響…………………………………80
5.3 五層剪力剛架承受不同地震之減震效果…………………83
5.4 討論…………………………………………………………89

第六章小型振動台結構模型與實驗
6.1 實驗布置與儀器……………………………………………93
6.2 實驗流程……………………………………………………104
6.3 諧調液柱阻尼器之自然振動試驗…………………………108
6.4 諧調液柱阻尼器之簡諧地表運動及地震反應試驗………112
6.5 螺槳控制主動式諧調液柱阻尼器之控制裝置介紹………119
6.6 螺槳力之試驗與推估………………………………………123
6.7 螺槳主動式諧調液柱阻尼器之簡諧地表運動及地震反應試驗…………………………………………………………………139

第七章結論………………………………………………………145

參考文獻…………………………………………………………147

附錄A 主動控制回饋增益矩陣G 推導…………………………150

1. Y. Fujino, B.M. Pacheco, L.Sun, P.Chaiseri(1992)“Tuned Liquid Damper(TLD) for Suppressing Horizontal Motion of Structures ” Journal of Engineering Mechanics, V 118, n10.

2.葛家豪(2003)，「液體與結構互制作用理論及其在液體儲存槽及諧調液體阻尼器之應用研究」，國立臺灣大學土木工程學研究所博士論文。

3. Sun K.(1994) “ Earthquake responses of buildings with liquid column dampers”Proceedings of the Fifth U.S. National Conference on Earthquake Engineering, Chicago, U.S.A., vol. 2, 411–420.

4. Won AYJ, Pires JA, Haroun MA.(1996)“Stochastic seismic performance evaluation of tuned liquid column dampers”Earthquake Engineering and Structural Dynamics; 25:1259 –1274.

5. Chen YH, Chao CC.(2000)“Optimal damping ratios of TLCDs” Structural Engineering and Mechanics; 9(3):227–240.

6.洪美菁(2005)，「被動及主動式諧調液柱阻尼器之小模型動力特性試驗」，國立臺灣大學工程科學及海洋工程學研究所碩士論文。

7. Chen YH, Ko CH.(2003)“Active tuned liquid column damper with propellers”Earthquake Engineering and Structural Dynamics; 32:1627 –1638.

8. L. L. Chung, R. C. Lin, T. T. Soong, and A. M. Reinorn(1989), “Experimental Study of Active Control for MDOF Seismic Structures”,Journal of Engineering Mechanics, ASCE, VOL. 115, NO. 8, pp.1609-1627.

9. 瞿傳廉，李肇胤，李桂青(1993)，「U 型水箱對高層建築和高從結構風振控制的試驗和研究」，建築結構學報，第14 卷，第5 期，37-43頁。

10. T. Balendra, C. M. Wang and H. F. Cheong(1995), “Effectiveness of tuned liquid column dampers for vibration control of towers”, Engineering Structures, VOL. 17, NO. 9, 1995, pp.668-675.

11. Yukio Tamura(1995),“Effectiveness of Tuned Liquid Dampers Under Wind Excitation”, Engineering Structures, VOL.17, NO.9, pp.609-621.

12.趙貞琦(1996)，「U 型管液體阻尼器對高樓減震之研究」，國立臺灣大學造船及海洋工程學研究所碩士論文。

13. J. P. Den Hartog(1956), Mechanical Vibrations, 4th ed., New York : McGraw-Hill.

14. K. Kagawa et. al.(1989), “Development of Tuned Liquid Damper for ShipVibration”, Trans. WJSNA, Japan, NO. 78, pp.251-258.

15.陳敬欽(1997)，「U 型管液體阻尼器之主動控制設計及其在高樓減振之應用」，國立台灣大學造船工程研究所碩士論文。

16.蔡瑞文(2003)，「螺槳制動式U型管液柱阻尼器之動力特性試驗」，國立台灣大學工程科學及海洋工程研究所碩士論文。

17.賴庭平(2004)，「螺槳控制主動式諧調液柱阻尼器之理論與實驗」，國立台灣大學工程科學及海洋工程研究所碩士論文。

18.蕭凱宇(1999)，「結構時域及頻域最佳直接輸出回饋控制之研究」，國立台灣大學土木工程學研究所碩士論文。

19.林政良(1999)，「U 型管諧調液體阻尼器設計參數之研究」，國立臺灣大學土木工程學研究所碩士論文。

20.鍾立來(1993)，「結構主動控制之狀態空間系統」，中華民國結構工程學會結構工程，第八卷，第二期，89-98頁。

21.鍾立來(1994)，「結構主動控制之離散時間系統」，中華民國結構工程學會結構工程，第九卷，第三期，101-113頁。

22.鍾立來(1995)，「結構主動控制之最佳控制律」，土木工程技術，第二期，27-42頁。

23.鍾立來(2004)，「結構主動控制筆記與講義」，國立臺灣大學土木工程學研究所。

24.吳賴雲，鍾立來，陳家乾，黃國倫(2004)，「台北101 結構風力振動之控制模擬」，第七屆結構工程研討會。

25. 鐘立來，吳賴雲，蘇榮裕，徐明清(1999)，「地震紀錄基線修正之新方法」，土木工程技術，第三卷，第三期，115-129頁。

26.劉明怡，蔣偉寧，黃俊鴻，朱佳仁(2001)，「考慮土壤結構互制效應並裝設調諧質量阻尼器的高層建築受風力作用之振動分析」，結構工程，第16卷，第2期，45-60頁。

27.Sakai, F., Takeda, S. and Tamaki, T.(1989),“Tuned liquid column damper—new type device for suppression of building vibrations”, Proceedings of International Conference on Highrise Building, 926-931,Nanjing, China.

28.Xue, SD., Ko, JM. and Xu, YL.(2000),“Tuned liquid column damper for suppressing pitching motion of structure”, Engineering structures 23, 1538-1551.

29.Yalla, Swaroop K. and Kareem, Ahsan.(2000),“Optimum absorber parameters for tuned liquid column dampers”, Journal of Structural Engineering, ASCE 126(8), 906-915.

30.Gao, H., Kwok, K.S.C. and Samali, B.(1999),“Characteristics of Multiple Tuned Liquid Column Dampers in Suppressing Structural Vibration”, Engineering Structures 21, 316-331.

31.張國鎮，黃震興，蘇晴茂，李森柟(2004)，「結構消能減震控制及隔震設計」，全華出版社。