變厚度X形消能裝置初步研究

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吳宏麟(Hung-Lin Wu) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

變厚度X形消能裝置初步研究
(Preliminary Study for the X-shaped Dampers with Non-uniform Steel Plate Thickness)

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摘要(中)

本研究針對變厚度X形剪力鋼鈑消能裝置進行初步的分析與試驗。首先利用有限元素軟體分析比較幾種不同尺寸比例的鋼鈑承受剪力變形及消能的情形；接著探討本研究所採用之變厚度X形消能鋼鈑與日本蜂巢式等厚度X形消能鋼鈑之間的差異，並以實驗驗證分析預測的準確性；最後提出應用在消能設計上的初步建議。
實驗驗證用之試體，共分為三個系列、十七組變厚度X形鋼鈑消能裝置。各系列試體有著不同的消能鋼鈑配置，且各試體消能鋼鈑尺寸不一，但其高寬比及厚度比均控制一樣。由實驗結果顯示：圓管包覆型消能裝置有較佳的受剪穩定性，且其消能行為接近分析預測值。本研究亦利用兩組試體實驗結果，提供一條疲勞壽命曲線，以供耐震設計者參考。

摘要(英)

This study is aimed at the preliminary analysis and experiment for the x-shaped dampers with non-uniform steel plate thickness. At first, several steel plates with different aspect ratios for the comparisons of shear deformation and energy dissipation are analyzed by means of FEM. Then, the x-shaped damper with non-uniform steel plate thickness adopted in this study compares with the honey-comb dampers in energy dissipation. Besides, experimental study is performed to observe the merit of the energy dissipation devices. Finally, some design suggestions are proposed.
Three kinds of specimens, totally seventeen, are tested. Each type of specimen has different layout for energy dissipation. The specimen dimensions are different from each other, but the aspect ratios for the specimens are kept all the same. The test results show that the shear steel plates connected inside the circular tubes have more stable energy dissipation. The test results also match well with the analytical predictions. In addition, a fatigue life curve related to the seismic design is provided from two test results.

關鍵字(中)

★ 變厚度
★ X形剪力鋼鈑
★ 有限元素分析
★ 實驗
★ 消能
★ 疲勞壽命曲線

關鍵字(英)

★ Non-uniform Thickness
★ X-shaped shear Plate
★ Experiment
★ Finite Element Analysis
★ Energy Dissipation
★ Fatigue Life Curve

論文目次

目錄
中文摘要
英文摘要
目錄……………………………………………………………………Ⅰ
表索引…………………………………………………………………IV
圖索引…………………………………………………………………V
第一章序論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機 2
1.3 研究目的與方法 2
1.4 本文內容 3
第二章文獻回顧 4
2.1 主被動控制模式 4
2.2 各類消能系統簡介 5
2.3 疲勞壽命估算之研究 8
第三章變厚度X形剪力鋼鈑基本設計理論 10
3.1 基本設計理論 10
3.2 ANSYS 分析 11
3.2.1 鋼材料應力-應變關係 11
3.2.2 隨動硬化規則(Kinematic Hardening)與包氏效應(Bauschinger Effect) 13
3.2.3 降伏條件準則 16
3.2.3 ANSYS 套裝分析軟體之實體元素模型 17
3.2.4 數值模擬設定 19
3.3 ANSYS廣用套裝分析軟體初步實驗驗證 25
第四章試體規劃與執行 31
4.1 變厚度X形剪力鋼鈑尺寸設計 31
4.2 變厚度X形剪力鋼鈑與日本蜂巢式消能鋼鈑之比較 35
4.3 試體設計 44
4.4 試體規劃 44
4.4.1 T2B2系列 44
4.4.2 T4B4系列 49
4.4.3 T2系列 54
4.5 試體製造 58
4.6 實驗設置 59
4.6.1 實驗試體架設 59
4.6.2 實驗試體加載 61
4.6.3 實驗量測系統 63
4.7 實驗數據整理 63
4.7.1 初始勁度與降伏力之判定 63
4.7.2 遲滯迴圈數之判定 64
4.7.3 消能面積之計算 65
4.7.4 疲勞壽命曲線 65
第五章實驗結果 66
5.1 前言 66
5.2 T2B2系列試體 66
5.2.1 H88型試體 66
5.2.2 H78型試體 72
5.2.3 H66型試體 75
5.3 T4B4系列試體 81
5.3.1 H78型試體 81
5.3.3 H66型試體 85
5.3.4 H55型試體 89
5.4 T2系列試體 93
5.4.1 6612型試體 93
5.4.2 6610型試體 96
第六章分析與討論 119
6.1 前言 119
6.2 以ANSYS分析結果來探討X形消能鋼鈑尺寸大小關係 119
6.3 T2B2、T4B4和 T2系列之優劣 122
6.4 實驗結果與 ANSYS模擬分析之比較 123
6.5 消能行為 124
6.6 疲勞壽命曲線之建立 125
第七章結論與建議 129
7.1 結論 129
7.2 建議 130
參考文獻……… 132
表索引
表3.1 SGS拉力試驗結果 27
表4.1 日本蜂巢式與本研究之比較 44
表4.2 試體尺寸表 48
表5.1 各試體實驗與ANSYS分析結果 117
表6.1 實驗試體消能面積表 125
表6.2 Miner線性累積損傷值 127
圖索引
圖3.1 X形鋼鈑示意圖 10
圖3.2 鋼材料拉力試驗應力-應變關係曲線 12
圖3.3 材料加載與卸載的行為模式 13
圖3.4 切線模數圖 15
圖3.5 隨動硬化(Kinematic Hardening)規則 15
圖3.6 von Mises 降伏條件準則 17
圖3.7 三維Solid45 八節點六面體實體元素示意圖 19
圖3.8 A36鋼材料應力-應變曲線（SGS試驗） 21
圖3.9 A36鋼材料應力-應變曲線（ANSYS分析輸入值） 22
圖3.10 SGS試體設計詳圖 25
圖3.11 SGS試體照片圖 27
圖3.12 SGS拉力試驗結果 28
圖3.13 ANSYS分析結果 28
圖3.14 試體破壞圖 29
圖3.15 ANSYS分析破壞圖 30
圖4.1 端點與中點面積比例不同塑性分佈情形 32
圖4.2 端點與中點各厚度比例塑性分佈情形 34
圖4.3 日本蜂巢式消能鋼鈑詳圖 36
圖4.4 變厚度X形鋼鈑詳圖 37
圖4.5 變厚度與蜂巢式X型消能鋼板單推比較圖 37
圖4.6 X形鋼鈑斷面應變分佈標示圖 38
圖4.7 蜂巢式消能鋼鈑應變分佈情形 39
圖4.8 變厚度X形消能鋼鈑應變分佈情形 39
圖4.9 日本蜂巢式消能鋼鈑應變分佈圖 40
圖4.10 變厚度消能鋼鈑應變分佈圖 42
圖4.11 T2B2系列試體設計詳圖 45
圖4.12 T4B4系列試體設計詳圖 49
圖4.13 T4B4系列H55型試體詳圖 52
圖4.14 T2系列6612型試體詳圖 54
圖4.15 T2系列6610型試體設計詳圖 57
圖4.16 實驗設置詳圖 59
圖4.17 不同變形之特性試驗 62
圖4.18 性能穩定性試驗 62
圖4.19 降伏力求解示意圖 64
圖5.1 T2B2系列H88-I型試體照片圖 67
圖5.2 T2B2系列H88-I型試體加載圖 68
圖5.3 T2B2系列H88-I型試體遲滯迴圈圖 68
圖5.4 T2B2系列H88-II型試體詳圖 70
圖5.5 T2B2系列H88-II型試體加載圖 71
圖5.6 T2B2系列H88-II型試體遲滯迴圈圖 71
圖5.7 T2B2系列H78-I型試體照片圖 72
圖5.8 T2B2系列H78-I型試體加載圖 73
圖5.9 T2B2系列H78-I型試體遲滯迴圈圖 73
圖5.10 T2B2系列H78-II型試體照片圖 74
圖5.11 T2B2系列H78-II型試體遲滯迴圈圖 75
圖5.12 T2B2系列H66-I型試體詳圖 76
圖5.13 T2B2系列H66-I型試體加載圖 77
圖5.14 T2B2系列H66-I型試體遲滯迴圈圖 78
圖5.15 T2B2系列H66-II型試體詳圖 79
圖5.16 T2B2系列H66-II型試體加載圖 80
圖5.17 T2B2系列H66-II型試體遲滯迴圈圖 80
圖5.18 T4B4系列H78-I型試體照片圖 82
圖5.19 T4B4系列H78-I型試體加載圖 82
圖5.20 T4B4系列H78-I型試體遲滯迴圈圖 83
圖5.21 T4B4系列H78-II型試體照片圖 84
圖5.22 T4B4系列H78-II型試體加載圖 84
圖5.23 T4B4系列H78-II型試體遲滯迴圈圖 85
圖5.24 T4B4系列H66-I型試體照片圖 86
圖5.25 T4B4系列H66-I型試體加載圖 86
圖5.26 T4B4系列H66-I型試體遲滯迴圈圖 87
圖5.27 T4B4系列H78型、H66型試體傳力桿比較圖 87
圖5.28 T4B4系列H66-II型試體照片圖 88
圖5.29 T4B4系列H66-II型試體加載圖 89
圖5.30 T4B4系列H66-II型試體遲滯迴圈圖 89
圖5.31 T4B4系列H55型試體照片圖 90
圖5.32 T4B4系列H55型試體加載圖 91
圖5.33 T4B4系列H55型試體遲滯迴圈圖 91
圖5.34 T4B4系列 H55型試體破壞照片圖 92
圖5.35 T2系列6612型試體照片圖 93
圖5.36 T2系列6612型試體加載圖 94
圖5.37 T2系列6612型試體遲滯迴圈圖 94
圖5.38 T2系列6612型試體受扭力破壞情形 95
圖5.39 T2系列6610-I型試體照片圖 96
圖5.40 T2系列6610-I型試體加載圖 97
圖5.41 T2系列6610-I型試體遲滯迴圈圖 97
圖5.42 6610-I型試體破壞圖 98
圖5.43 ANSYS分析6610型鋼鈑試體破壞圖 101
圖5.44 T2系列6610-II型試體照片圖 102
圖5.45 T2系列6610-II型試體加載圖 103
圖5.46 T2系列6610-II型試體遲滯迴圈圖 103
圖5.47 6610-II型試體破壞圖 104
圖5.48 T2系列6610-III型試體照片圖 106
圖5.49 T2系列6610-III型試體加載圖 107
圖5.50 T2系列6610-III型試體遲滯迴圈圖 107
圖5.51 6610-III型試體破壞圖 108
圖5.52 T2系列6610-IV型試體照片圖 110
圖5.53 T2系列6610-IV型試體加載圖 111
圖5.54 T2系列6610-IV型試體遲滯迴圈圖 111
圖5.55 6610-IV型試體破壞圖 112
圖5.56 T2系列6610-V型試體照片圖 114
圖5.57 T2系列6610-V型試體加載圖 114
圖5.58 T2系列6610-V型試體遲滯迴圈圖 115
圖5.59 6610-V型試體破壞圖 115
圖6.1 6612型與6610型單片X形鋼鈑單推分析結果比較 120
圖6.2 H88型、H78型與H66型單片X形鋼鈑單推分析結果比較 120
圖6.3 疲勞曲線 126
圖6.4 Miner線性累積損傷理論 126

參考文獻

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指導教授

王勇智、蘇源峰
(Yung-Chih Wang、Yuan-Feng Su)

審核日期

2006-1-20

推文