應用多項式摩擦單擺支承於橋梁之性能設計

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王俊清(WANG, JYUN-CING) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

應用多項式摩擦單擺支承於橋梁之性能設計

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摘要(中)

摘要

多項式摩擦單擺支承(Polynomial Friction Pendulum Isolator，PFPI)為具有多項可變參數之新型摩擦單擺支承，可配合性能設計法訂定合適之性能目標，如於回歸週期為475年之地震下，能降低上部結構加速度；於回歸週期為2500年之地震下，能抑制上部結構位移。
目前PFPI尚未有一套系統性之設計流程，使其難以應用於工程實務，因此，本研究配合台灣公路橋梁耐震設計規範結合性能設計理念，發展性能設計流程，並經廣泛之參數研究，提供設計者可參考使用之參數範圍。為驗証其可行性，本研究橋梁工址選為台中縣石岡鄉進行PFPI隔震橋梁設計，並以人造震波檢核設計是否達到所預定之性能目標，並採相同之設計參數進行FPS(Friction Pendulum System)隔震橋梁設計，比較PFPI與FPS於實際震波之反應，以確認PFPI隔震效益之優劣性。
研究結果顯示，依本研究設計的PFPI確能達到設計者所定之性能目標，且其減震效能較FPS佳。

摘要(英)

ABSTRACT

Polynomial Friction Pendulum Isolator (PFPI) is a performance-oriented isolator which is designed to reduce the acceleration response of the superstructure in earthquakes with a return period of 475 year and decrease the displacement of the superstructure in earthquakes with a return period of 2,500 year.
Currently there is no systematic design code for PFPI, therefore, it is difficult to implement it on the civil engineering. For the purpose of carrying out PFPI on the civil engineering, this study developed a performance-based design code according to the Seismic Design Specifications for Highway Bridges. In addition, providing the usable parameter range through discussions. For verifying the effectiveness of the designed PFPI procedure, this study used artificial earthquakes to examine whether PFPI will achieve the performance objectives and compare the seismic response of PFPI with that of FPS( Friction Pendulum System ) under the same parameters.
The results revealed that the PFPI which designed according to the code of this study does indeed achieve the performance objectives. Moreover, it is even more effective to reduce seismic structural response than FPS.

關鍵字(中)

★ 變曲率隔震支承
★ 變頻式隔震支承
★ 摩擦單擺支承
★ 性能設計

關鍵字(英)

論文目次

目錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
誌謝 Ⅲ
目錄 Ⅳ
表目錄 VIII
圖目錄 X
第一章緒論 1
1.1研究背景與動機 1
1.2文獻回顧 2
1.2.1近斷層震波特性與其對隔震結構之影響 2
1.2.2變頻式隔震支承 3
1.2.3性能設計(Performance-based design) 5
1.3研究內容 5
第二章多項式摩擦單擺支承 7
2.1支承力學行為 7
2.2多項式摩擦單擺支承之曲面函數及特性 10
第三章多項式摩擦單擺支承之性能設計 16
3.1傳統隔震器靜力分析流程 16
3.2位移設計法 19
3.3 PFPI性能設計 19
3.3.1 PFPI隔震橋梁之性能目標 19
3.3.2 PFPI性能設計流程 20
第四章 PFPI設計參數探討 36
4.1設計示範例 34
4.2各設計參數與PFPI性能之關係 41
4.2.1隔震橋梁之ㄧ秒週期結構阻尼比修正係數 41
4.2.2設計地震部分選定支等效週期Te1 42
4.2.3最大地震部分選定支等效週期Te2 43
4.2.4正規化初始勁度與設計地震部份之正規化割線勁度
的比值b 45
4.3參數間的相互關係與PFPI性能之關係 46
4.3.1 Te1與Te2之相互關係 47
4.3.2 Te2與b之相互關係 48
4.3.3 Te1與b之相互關係 49
4.4小結 50
第五章實例設計之PFPI性能探討 87
5.1數值分析方法 87
5.1.1數值分析模型 87
5.1.2 Bouc-Wen遲滯模型 88
5.1.3時間離散之狀態空間運動方程推導 88
5.1.4狀態空間方程分析 91
5.2輸入震波 94
5.2.1實際震波 94
5.2.2人造震波 94
5.3隔震橋梁設計例 95
5.3.1目標橋梁與工址 95
5.3.2 PFPI隔震橋梁設計例 95
5.3.3 FPS隔震橋梁設計例 99
5.4 PFPI性能檢核 101
5.4.1 PFPI之受震反應是否符合性能目標 101
5.4.2 PFPI與FPS性能之比較 102
5.4.3 PFPI與FPS於原使震波下之歷時反應比較 103
5.5小結 103
第六章結論與建議 121
6.1結論 121
6.2未來研究方向 123
參考文獻 124
附錄A 128
附錄B 135
附錄C 136

表目錄
表3-1短週期與ㄧ秒週結構之阻尼比修正係數BS與B1 29
表4-1 PFPI設計參數之物理意義 53
表4-2台中縣石岡鄉場址資料 53
表4-3目標橋梁結構性質 54
表4-4各組Te1之PFPI設計位移與割線勁度 54
表4-5各組Te2之PFPI設計位移與割線勁度 54
表4-6各組b之PFPI設計位移與割線勁度 55
表5-1台中縣石岡鄉工址資料 104
表5-2 PFPI設計參數 104
表5-3 PFPI設計位移與割線勁度 104
表5-4 FPS設計參數、設計位移與割線勁度 104
表5-5 PFPI橋梁受設計地震之最大反應與靜力分析位移 105
表5-6 PFPI橋梁受最大可能地震之最大反應與靜力分析位移 105
表5-7隔震橋梁受TCU068EW之最大反應 106
表5-8隔震橋梁受TCU068NS之最大反應 107

圖目錄
圖2-1滑動摩擦支承示意圖 14
圖2-2滑動摩擦支承之自由體圖 14
圖2-3支承正規化回復力曲線示意圖 15
圖3-1隔震器靜力設計之分析流程 29
圖3-2「橋面板－支承－橋墩」系統 30
圖3-3振動單元簡化數值模型 30
圖3-4 PFPI性能設計流程圖 31
圖3-5設計地震部份之設計流程圖 32
圖3-6最大可能地震部份之設計流程圖 33
圖4-1五垮連續高架橋 56
圖4-2 Te1 = 2.25~2.75之PFPI 57
圖4-3 Te1 = 2.25~2.75( )之PFPI 58
圖4-4 Te1 = 3~3.5之PFPI 59
圖4-5 Te1 = 3~3.5( )之PFPI 60
圖4-6 Te2 = 2.4~2.88之PFPI 61
圖4-7 Te2 = 2.4~2.88( )之PFPI 62
圖4-8 Te2 = 3.12~3.6之PFPI 63
圖4-9 Te2 = 3.12~3.6( )之PFPI 64
圖4-10 b = 0~0.5之PFPI 65
圖4-11 b = 0~0.5( )之PFPI 66
圖4-12 b = 0.75~1.25之PFPI 67
圖4-13 b = 0.75~1.25( )之PFPI 68
圖4-14 b = 1.5~2之PFPI 69
圖4-15 b = 1.5~2( )之PFPI 70
圖4-16 Te1 = 2之PFPI 71
圖4-17 Te1 = 2.5之PFPI 72
圖4-18 Te1 = 3之PFPI 73
圖4-19 Te1 = 3.5之PFPI 74
圖4-20 Te2 = 3( )之PFPI曲盤 75
圖4-21 Te2 = 3.15( .05)之PFPI曲盤 76
圖4-22 Te2 = 3.3( )之PFPI曲盤 77
圖4-23 Te2 = 3.45( )之PFPI曲盤 78
圖4-24 Te2 = 3.6( )之PFPI曲盤 79
圖4-25 Te2 = 3.75( )之PFPI曲盤 80
圖4-26 Te1 = 2之PFPI曲盤 81
圖4-27 Te1 = 2.5之PFPI曲盤 82
圖4-28 Te1 = 3之PFPI曲盤 83
圖4-29 Te1 = 3.5之PFPI曲盤 84
圖4-30 Te1 = 4之PFPI曲盤 85
圖4-31 Te1 = 4( )之PFPI曲盤 86
圖5-1簡化橋梁數學模型 108
圖5-2 橋梁之運動自由體圖 108
圖5-3近斷層震波 109
圖5-4遠域震波 110
圖5-5台中縣石岡鄉譜加速度反應譜 111
圖5-6 Arti_TCU052EW (a)設計地震 (b)最大可能地震 111
圖5-7 Arti_TCU052NS (a)設計地震 (b)最大可能地震 112
圖5-8 Arti_TCU061EW (a)設計地震 (b)最大可能地震 112
圖5-9 Arti_TCU061NS (a)設計地震 (b)最大可能地震 113
圖5-10 Arti_TCU068EW (a)設計地震 (b)最大可能地震 113
圖5-11 Arti_TCU068NS (a)設計地震 (b)最大可能地震 114
圖5-12 Arti_TCU079EW (a)設計地震 (b)最大可能地震 114
圖5-13 Arti_TCU079 NS (a)設計地震 (b)最大可能地震 115
圖5-14 PFPI(a)曲盤型狀 (b)回復力曲線 115
圖5-15 TCU068EW之最大橋面板位移比較圖 116
圖5-16 TCU068EW之最大橋面板加速度比較圖 116
圖5-17 TCU068EW之最大橋墩柱底剪力比較圖 117
圖5-18 TCU068NS之最大橋面板位移比較圖 117
圖5-19 TCU068NS之最大橋面板加速度比較圖 118
圖5-20 TCU068NS之最大橋墩柱底剪力比較圖 118
圖5-21 TCU068EW作用下之橋梁歷時反應 119
圖5-22 TCU068NS作用下之橋梁歷時反應 120
圖A PFPI之遲滯迴圈模型 134

參考文獻

參考文獻

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指導教授

李姿瑩

審核日期

2016-4-21

推文