THD強震宅（Aseismic Building with Three-Hinged Dampers）

介紹一種底層安裝THD阻尼器的隔減震結構系統。此種結構系統可應用於建築物的新建及補強，除了可以消彌軟弱層破壞的風險外，也可以提升結構的耐震性能至強震不壞、降低營建成本及增加室內使用空間。另外，此種有利於業主的專利技術，還可以幫助結構技師提高結構設計費率及業務量。

■ 自序

建築結構耐震設計需要變革
THD強震宅的研究發展

● 國內、外阻尼器及構架試驗、設計參數研究及國內習用設計 專利THD阻尼器及減震結構系統。

博士論文的研究題目是“Seismic Response of Building Structures with Mechanical Damping Devices”(參考文獻1)，是美國國家科學委員會贊助的兩個研究計畫“Study of Supplemental Damping System” 及“The Mexico City Research Program：Testing of a Two-Story Reinforced Concrete Frame”的一部分。

論文主要探討加勁阻尼元件 (ADAS, Added Damping and Stiffness Element) 的力學性質、設計參數及其抗震應用。ADAS的構想是從紐西蘭工程師R. G. Tyler 1978年提出的銲接型三角鋼板衍生而來的 (參考文獻2)。ADAS將銲接的三角形鋼板，改成螺栓接合的X形鋼板，同樣是利用鋼板面外產生塑性變形的消能元件，由R. E. Scholl 於1987年申請的美國專利。

論文研究其中包括ADAS對2層樓單跨平面RC構架的補強效益。此RC構架是針對美國-墨西哥共同研究計畫所建造的，以因應1985年墨西哥大地震後續補強的參考。此構架先被反覆漸增的位移破壞後，再陸續以磚牆、同心鋼斜撐及ADAS，三種不同的方式補強。其中ADAS補強後的構架，其勁度、強度及消能的能力，皆有顯著的增加；但阻尼器對構架發揮有效作用的前提是：第一，阻尼器的變形不得受到磚牆或RC牆的阻礙；第二，消能衰減後的地震力不得超越消能構架的強度。THD強震宅所配置的專利結構系統 (參考文獻3) 皆遵循這個設計前提，即阻尼器雖然可以增加消能構架的結構強度及降低地震力，但是構架及阻尼器的強度、變形能力，必須配合地震強度設計；否則，地震力會超越消能構架的強度，造成構架變形過大、強度下降，不能再繼續支撐結構自重而倒塌。

另外，感謝加州大學柏克萊分校土木系V. V. Bertero 教授 (研究單位) 及貝泰公司的W. H. White 博士 (贊助單位)，提供三層樓ADAS鋼構架振動台的試驗資料 (參考文獻4)；而此試驗資料被用來與論文的分析結果作比對。試驗採用1985.3.3智利大地震Llolleo測站的地震記錄；此規模8.0的地震，造成177人死亡、2,575人受傷，85,358間房屋嚴重破壞，約百萬人無家可歸。試驗所採用的地震強度為0.46G，超越雙北地區的耐震係數中震的0.24G 、大震的0.32G，及台南市、花蓮縣大震的0.4G。論文理論分析與試驗結果皆顯示，ADAS消耗約60%強震輸入構架的能量，而構架梁、柱韌性破壞只消耗約13%的輸入能量。從分析與試驗的結果證明：第一，配置在底層的阻尼器，可以消散大部分的地震能量，有效降低地震力；第二，構架只消散小部分的地震能量，可避免梁、柱產生明顯的韌性破壞，持續保有支撐結構體的能力。THD強震宅的專利結構系統，也是儘量將THD阻尼器裝設在最底部的樓層；而消能效率較低的樓層，其鋼梁、鋼柱可選用比較經濟的斷面尺寸，只要能維持彈性反應即可，必要時可配置同心鋼斜撐。至於RC構造沒有配置THD阻尼器的樓層，由於RC隔牆的存在，更是可以大幅精簡梁、柱的斷面尺寸及鋼筋量。

論文也有評估ADAS結構的設計參數，並提出設計規範及設計流程。設計參數的評估方法，是ADAS採用不同的設計參數組合，對固定6層樓鋼構架地震反應的影響。而配置同心斜撐及偏心斜撐的全尺寸6層樓鋼構架，X及Y向各兩跨，根據1982年版的 Uniform Building Code設計，是美國-日本共同研究計畫的一部分，1983-1984年在日本筑波市的建築研究中心 (BRI, Building Research Institute) 進行擬動態試驗。擬動態試驗配合的地震記錄，是1978.6.12發生在日本宮城縣近海，芮氏規模7.4的宮城地震 (Miyagi-Ken-Oki Earthquake)。地震的地表最大加速度0.438G，造成28人遇難，1,325人受傷，1,1 83間房屋全毀，及 5,574間房屋半毀。密西根大學土木系在此共同研究計畫中，負責同心斜撐構架的模擬、分析，並與試驗結果作比對，及檢討相關的設計規範 (參考文獻5)。ADAS斜撐構架設計參數研究所採用的地震強度與同心斜撐構架相同，都是0.36G，介於雙北地區大震的0.32G與台南市、花蓮縣大震的0.4G之間。

建築物承受的地震力大小，不只與地震強度有關，也與建築物的樓層數 (總樓高) 有關，即地震力 地震強度＊放大倍數＊結構體重量。結構設計者雖然無法控制“地震強度”，但是可以控制“放大倍數”及“結構體重量”。在論文設計參數研究中，“地震強度”已經設定；而鋼構架採用試驗構架，“結構體重量”也已經確認；相當於研究ADAS設計參數如何影響不同樓層數建築物的放大倍數。宮城地震對17層樓以下的建築結構，都會產生1倍以上的放大倍數，而6層樓的放大倍數甚至超過5；這就是美、日研究單位會選擇6層樓斜撐構架最主要的原因。果然在日本的同心斜撐構架試驗結果，顯示構架1/2的梁、柱及梁柱接頭降伏，2/3的斜撐挫屈或斷裂，雖然屋頂的最大變形只有構架總高度的1/00。而6個樓層都配置ADAS的構架，其動態歷時分析結果與同心斜撐構架比較：屋頂最大變形接近，底層剪力減少超過10%，梁、柱及梁柱接頭降伏狀況類似，但斜撐維持彈性。試驗及分析結果對THD強震宅的設計啟示：第一，阻尼器要集中在底層，能更有效率降低地震力；第二，未配置阻尼器的樓層，配置同心鋼斜撐，以利構架保持彈性。

ADAS構架設計參數包括 (ADAS＋斜撐) 的勁度及韌性、構架的勁度。論文研究顯示，高勁度比的設計參數能夠將ADAS構架，17層樓以下的放大倍數全部降至小於1.0。而實務的減震設計，則採用較低的勁度比，配合耐震性能要求及強震設計震譜，最少要能夠降低40%的設計地震力，這也是THD強震宅減震設計的目標。

1985年9月19日，墨西哥市發生芮氏規模7.8的大地震，城內1/3的建築物、約8,000棟受到破壞，7,000多人死亡，1.1萬人受傷，約30萬人無家可歸。國外學業完成後，墨西哥國立自治大學 (NAUM, National Autonomous University of Mexico) 教授E. M. Romero採用ADAS補強墨西哥市部分損壞的建築物，並參考論文所建議的設計規範及設計流程 (參考文獻6～9)。

1989年10月17日，美國加州舊金山灣區發生芮氏規模7.1的Loma Prieta大地震，導致至少280人死亡。地震也造成奧克蘭市部分雙層高架道路的墩柱倒塌，及舊金山連接奧克蘭的海灣大橋，上層甲板的一部分坍塌到下層甲板；電影“加州大地震”就是以此地震為背景所拍攝。地震發生後不久，加州大學柏克萊分校土木系教授 Abolhassan Astaneh-Asl (密西根大學土木系1982年博士，伊朗裔) ，有回到系上講述地震災情的相關事宜。 Astaneh教授後續有參與海灣大橋的補強，及東段新海灣大橋的設計；新橋採用自錨碇式懸吊橋面板，而4根巨大橋柱用剪力連桿連接。另外，2001.9.11紐約世界貿易中心發生恐怖攻擊， Astaneh教授也曾至美國國會作證，說明世貿雙塔倒塌的緣由及超高層結構設計應該採取的對策；後續他的部分研究計畫也導向火害及鋼板混凝土剪力牆設計。

1992年美國第一件利用ADAS補強的案例，是位於舊金山、1967年建造的富國銀行 (Wells Fargo Bank)，一棟2層樓採用非韌性設計的RC建築，在1989年 Loma Prieta 地震中，遭受結構及非結構破壞 (參考文獻10)。

1990年回到台灣後，承蒙陳慧慈教授引薦，到中央大學土木系兼課，主要講授“高樓結構設計”，時間長達30年。回國後也到中興工程顧問公司交流國外所學，並得到王亭復協理的鼓勵，在國內推展消能減震技術。而在申請中興的研究計畫前，有先申請國內的新型專利；將X形ADAS鋼板改成三角形，鋼板同樣以螺栓接合，但可消除水平變形產生的軸拉力，以增加韌性。首件專題研究案，“加勁阻尼鈑結構系統”， 由中興工程顧問社贊助 (參考文獻11)。後續再申請到中興工程科技研究發展基金會補助的兩件研究計畫案：“含加勁阻尼板鋼構架抗震試驗研究” (參考文獻12)，及“Y形偏心斜撐鋼構架的耐震設計” (參考文獻13)。試驗案中的ADAS鋼板同樣維持三角形，但是鋼板兩端改成剛性銲接及可消除軸拉力的鉸接。試驗計劃包括ADAS元件反覆側推試驗及ADAS構架擬動態試驗。試驗案委託台大土木系執行，而設計案則與陳慧慈教授共同執行。921地震後，日本鹿島建設的蜂巢式阻尼器也曾應用在國內某一個建案。鹿島的專利蜂巢式阻尼器，利用X型鋼板面內變形消能，並採用螺栓接合，但是同樣有軸拉力的問題。為了克服軸拉力問題，鹿島公司將消能鋼板改成韌性較佳、強度較低的軟鋼；在強度不降低的疲勞載重試驗中，位移角R=0.25可得到7次的迴圈數，大於一般法規5次的下限要求 (參考文獻14)。

後續國內對ADAS有興趣的人士，皆持續研究及申請專利，且學者專家們也積極將研究成果投稿國內、外期刊及研討會 (參考文獻15～43)。另外，美國紐約州立大學水牛城分校 (University at Buffalo, the State University of New York) 的名譽華裔教授宋祖德 (T. T. Soong) 也引用中興基金會的試驗案結果，理論分析模擬TADAS的力學行為 (參考文獻 44)。除此，國內普遍使用的建築結構設計軟體ETABS，也參考中興基金會的試驗論文，將ADAS構架的分析模擬以示範例說明 (參考文獻45)。論文指導R. D. Hanson 教授在密西根大學服務滿35年後，以名譽教授退休；退休同時的2001年11月，與宋祖德教授共同出版新書“Seismic Design with Supplemental Energy Dissipation Devices ”。

回國後，除了上課及與陳慧慈、莊德興兩位教授共同指導研究生外，也從事建築結構設計的顧問業務。期間又經歷1994年美國加州洛杉磯北嶺地震 (North Ridge Earthquake)、1995年日本阪神地震、1999年台灣921地震、2011年日本311地震、2016年美濃地震，及2018年花蓮地震等，不論是國內、外的鋼構造或是RC構造皆損失慘重，深感採用韌性設計的建築物，只對中小地震有抵抗力；面對共振效應明顯及放大倍數較大的強震，幾乎難逃被破壞的命運。

規模6.7的加州北嶺地震造成57人死亡、超過9,000人受傷，洛杉磯100棟鋼構大樓梁柱接頭破壞；美國鋼鐵構造協會 (AISC, American Institute of Steel Construction) 為此提出5種暫時性的梁柱韌性接頭設計方式 (參考文獻46)。另外，Astaneh教授也提出自行研究創新的韌性接頭形式 (參考文獻47)。為了避免鋼構大樓梁柱接頭產生韌性破壞的風險，THD強震宅將消能、降低地震力的機制，完全由接近地面的若干消能樓層產生；只有消能樓層有裝設THD阻尼器，而消能樓層數的需求，則視建築物的總樓層數決定。而消能樓層以上的各彈性樓層，則配合剛性斜撐，確保其梁柱接頭在強震時，皆能夠保持彈性反應 (參考文獻3)。至於RC建築，由於RC隔牆的存在，遭遇中、大地震時1樓發生軟弱層破壞的機率較高。此種結構特性，比鋼構造更適合採用“剛柔並濟”、“以柔克剛”的減震設計方式；剛：2樓以上的RC隔牆提供強度，樓層彈性變形、不壞；柔：底層為消能樓層，柱牆分離＋THD阻尼器，消能樓層韌性變形消能、降低地震力 (參考文獻3)。

■ 推薦序

THD強震宅 推薦序言（一）

1980年代核能電廠管線鞍座鋼板支撐經試驗證實具有阻尼消能減震功能，中興工程顧問社即發想將其應用於建築物鋼構架上，遂於1990年委請本書作者就其密西根大學博士論著ADAS為期三年改進及實體應用研究計畫，遂獲三角形鋼片阻尼器TADAS的成果，嗣後渠更於30年教學之餘再潛心精進研發此三鉸式鋼片阻尼器THD。

依據本研究報告的試驗及諸多震損案例比較分析的結果，THD只要裝置於韌性剛構架地面數層即可消散大部分構架引致的地震能且增加構架的勁度，從而降低建築物側向位移，更可控制構架構材、斜撐及非結構構材的損傷仍保持原有性能，不僅增強建築物耐震能力亦可降低建造成本。相信本書及THD能提供產業界及技師選用參考，期對於結構工程的應用、教學與研究均會有所貢獻。

王亭復 2023年2月27日
（中興工程顧問公司 退休協理）

THD強震宅 推薦序言（二）

蘇源峰博士自在美國密西根大學土木博士攻讀期間，即開始深入研究加勁阻尼元件(ADAS, Added Damping and Stiffness Element) 之抗震應用。1990年回國後，隨即引進 ADAS 相關技術，30多年來更持續在學界及業界推展國內的消能減震技術，並研發三鉸式阻尼器(THD, Three-Hinged Damper)，其韌性與強度皆比 ADAS 優異，位移角疲勞反覆載重迴圈數更可達日本鹿島建設單跨蜂巢式阻尼器的2倍，可達到「大震不壞、降低營建成本及增加室內使用空間」等結構耐震設計的三大基本準則，對地處環太平洋地震帶受到板塊擠壓作用而地震頻繁的台灣而言，可說是一大福音。
難能可貴的是蘇博士將其多年來之研究成果集結成這本大作「THD 強震宅」分享國人，是目前學界、業界相關著作中論述最完整也最深入的書籍。個人很榮幸獲邀先行試讀，獲益良多，深深覺得，不管是土木系師生、剛接觸減震消能的工程師，或想進一步提升專業能力的執業技師，甚至是建設公司、建築師，本書涉及的相關知識也都會有很大的助益，很高興有機會推薦這麼一本專業又實用的好著作給大家。

（施忠賢博士 台南市結構工程技師公會 理事長）

THD強震宅 推薦序言（三）

任職中大土木系時，有幸和蘇博士合作三鉸阻尼器實驗研究和加勁阻尼器耐震設計法的建立。本書從結構行為、地震作用力和耐震性能設計的理論和實務做了深入淺出的說明，非常適合在校學生和耐震設計新手的參考。

（陳慧慈 國立中央大學土木工程系榮譽教授）