杜風 80 期 特別報導

小實驗大發現,結構實驗之我見

劉光晏

國家地震工程研究中心橋梁組副研究員

 

翻開土木系的課程,除了艱澀的理論外,大多數的課程都與實驗有關,基本課程如材料試驗、結構試驗、流力試驗、土力試驗等,近年來更增加數位設計、實務設計與實作設計課程,注入新的元素,讓學生得以親身感受由無到有、由發想到落實應用的過程。筆者過去大學生活中還來不及體驗前述如此有趣的課程,但研究所階段迄今的工作中,卻經常與實驗打交道,不僅是得把東西設計出來,還得把它給搞到破壞,而且還是不壞不行,非得看到殘缺不全才高興。聽起來有點可怕,但大自然給人的挑戰不正是如此,尤其是地震所引致的結構性災害。

「地震是最真實的實驗」,只要是經歷過地震的人大概都會同意這句話;但要重現一個地震談何容易,況且地震在同一地點發生相同規模的機會更是微乎其微。因此,為了解地震對結構物的損害,研究者通常會嘗試三種結構實驗方法:反覆載重實驗、擬動態實驗,與振動台實驗。簡單講就是從靜力開始,逐漸增加複雜度直到可以模擬結構物在地震晃動的反應過程。以橋柱反覆載重實驗為例,如圖1所示,就是將橋柱反覆側推至某個指定的位移,位移量可隨設計需要由小到大、由大至小、或做任意組合,側推方向可以是單一方向也可以是多軸向。試體製作可參考實際結構進行縮尺,比例儘可能越大越好,但要搭配加載設備之位移衝程與力量上限。

 

圖1  筆者執行之橋柱反覆載重實驗

 

反覆載重實驗的目的在於獲得結構物的容量曲線,就是力與變形的關係,這也是為什麼前面提到實驗要儘可能做到結構物破壞(包括撓曲、撓剪、剪力、挫屈等)的原因,如此才能展現出結構的極限狀態,才有機會預先得知結構物在大地震中會損壞到何種程度,並開發結構分析模式模擬實驗結果。

擬動態實驗與反覆載重實驗類似,如圖2所示,但其特點在於將地震力透過數值計算的方式變成位移量後,再反覆側推移施加在試體上。所以,實驗外觀與反覆載載重實驗很像,但實驗結果代表試體在某個特定地震下的反應,而反覆載重實驗與地震輸入無關,這是兩者很大的差別。

 

圖2  筆者執行之牛鬥橋擬動態實驗

 

為能獲得更貼近地震下的結構行為,獲得結構體之加速度、速度與位移變化,振動台實驗是最佳的選擇,如圖3所示。相較於反覆載重實驗,因考量振動台承重限制,試體設計必須考量尺寸效應的影響,所以試體尺寸通常都不大。相較於擬動態實驗,實驗過程一樣是輸入地震波,只是振動台是由地表產生振動,如同真實結構物受到地震晃動的過程。一般而言,振動台實驗之主體結構為彈性,只有少數構件允許產生非線性行為,如此才可進行重複性實驗,只要改變地震紀錄的組別或峰值,就可大量收集實驗數據,觀察相同結構物在受到各種不同不同地震作用下的反應,這也是其與反覆載重實驗或擬動態實驗相異之處,也是研究地震工程迷人之處。

 

圖3  筆者執行之單跨橋梁樁基礎裸露振動台實驗

 

筆者有幸在學生階段,於2005至2006年間參觀多所加入美國NEES計畫(Network for Earthquake Engineering Simulation)的大學結構實驗室,如圖4至圖9所示,包括紐約州立大學水牛城分校(State University of New York at Buffalo)、內華達大學利諾分校(University of Nevada, Reno)、加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)、理海大學(Lehigh University)、加州大學戴維斯分校(UC Davis)。Buffalo與Reno特點是擁有多振動台,並各自發展槽溝式多振動台實驗技術及地組式多振動台實驗技術,完成大型木構造、節塊橋梁、曲線橋梁振動台實驗。

 

圖4  紐約州大學水牛城分校之多振動台實驗室

 

圖5  內華達大學利諾分校之多振動台


Berkeley亦擁有一振動台,但近年來以發展混合實驗技術著名,Lehigh亦開發即時混合實驗技術,並完成大型鋼構架實驗。Davis的特色則是離心機,可模擬真實重力條件下的土壤結構互制行為。

 

圖6  加州大學柏克萊分校Prof. Stephen A. Mahin 解釋橋墩振動台實驗

 

圖7  加州大學柏克萊分校Prof. Stojadinovic 解釋混合實驗技術


圖8  理海大學橋墩即時擬動態實驗


圖9  加州大學戴維斯大學分校離心機


除NEES計畫長期補助各大學研究者與學生進行先進實驗外,2006年EERI協會(Earthquake Engineering Research Institute)舉辦第8屆國家地震工程會議暨1906年舊金山大地震100周年紀念研討會之同時,透過競賽方式讓學生發揮創意與體驗結構設計成果,如圖10所示,並在舊金山市區廣設攤位推廣結構耐震、隔震與減震技術,如圖11至圖14所示,使一般民眾也得以瞭解耐震評估及補強的重要性。

 

圖10  EERI協會舉辦第三屆大學部耐震設計競賽活動與展示模型

 

圖11  EERI研討會之耐震技術鋼筋模型展示

 

圖12  EERI研討會之隔震技術鉛心橡膠支承墊模型展示


圖13  EERI研討會之隔震技術摩擦單擺支承墊模型展示


圖14  EERI研討會之減震技術液態油壓型阻尼器展示


國家地震工程研究中心每年舉辦抗震盃–地震工程模型國際競賽之目的也在於如此,如圖15至圖16所示,透過科普教育展示及模型競賽,讓地震工程的知識得以從小扎根,使國人對於建築、橋梁、核能結構之耐震安全有更清楚的認識。

 

圖15  國震中心IDEERS 2013模型競賽會場

 

圖16  筆者於IDEERS 2013競賽介紹橋梁模型


近年來,中國在實驗設備也有顯著提升,筆者在2013及2014年曾訪問福州大學與同濟大學,暸解多振動台實驗技術與執行現況。如圖17至圖20所示,實驗規模日趨龐大,越接近真實結構比例的同時,雖提高實驗複雜程度,但也越有機會一探結構在地震下的真正反應。

 

圖17  福州大學高樓建築物振動台模型

 

圖18  福州大學橋梁多振動台實驗

 

圖19  同濟大學土壤樁基礎互制實驗

 

圖20  同濟大學鋼橋多振動台實驗

 

台灣在歷經九二一集集大地震後,獲得全世界最大量的斷層近域量測資料,單次地震所收集的資料即是全世界的總和。因此,面對台灣的地震特性與未來的地震災害,我們應該加強近斷層效應對結構物與非結構之相關研究,提早因應準備。

結構試驗讓我們土木工程師在面對地震等天災時更有信心;小實驗大發現,實驗尚未成功,大家繼續努力,加油!


 

 

 

 

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