呂良正臺灣大學：土木工程學研究所林智勇Lin, Chih-YungChih-YungLin2007-11-252018-07-092007-11-252018-07-092004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/50626微振量測實驗與系統識別的技術在近年來已經十分普遍，如對建築物進行微振量測，再利用系統識別即可得建築物的基本振動周期；又如對高科技廠房進行微振量測，可得廠房之振動量並和振動規格比較。因此可見微振量測於實務上的應用已經相當廣泛，本文將介紹系統識別的方法與微振量測的應用。 台灣由於位在環太平洋之地震帶上，大小地震頻繁，尤其在九二一地震後，建築物的耐震能力成為大眾關切的話題，而基本振動周期與阻尼比為建築物耐震設計之主要結構參數。然而對於大規模數量的建築物阻尼比，相關的文獻記載並不多，因此蒐集大量建築物的微振量測資料並找出建築物物理特性與阻尼比的關係是有其研究價值的。 本文另外對於利用微振量測求得橋梁的自然振動頻率與模態振形，並與SAP2000模型模態分析結果比較。最後介紹橋梁的靜態與動態載重實驗，並利用微振量測求得橋梁之動力放大因子，再與規範公式所得到的動力放大因子比較。The ambient test and the skillof system identification are very popular in recent years,like the ambient test of buildings,by using the skill of system identification can get the period of buildings. It is quite common that the period of a building can be identified easily and accurately from ambient test recorded in that building. However, this is not true for damping ratios. It is found that identified damping ratios vary to some extend depending on the identification methods, the strong motion records, and the floor levels where the strong motion was recorded. This study is going to investigate how these happen and is hoping to suggest proper values of damping ratio for the design of steel and RC buildings in Taiwan.目錄 第一章 導論 1 1.1 研究動機與目的 1 1.2 研究內容 2 第二章 微振量測與分析方法 5 2.1 微振理論 5 2.2 微振量測儀器與配置 7 2.3 隨機遞減法 8 2.4 快速富利葉轉換理論 9 2.5 ARV模型理論 11 2.6 ARMA模型理論 13 2.7 識別方法之比較 16 2.7.1 模擬模型之識別 16 2.7.2 微振量測之識別 16 第三章 建築物阻尼比之分析 27 3.1 微振下同一建築物阻尼比與頂樓反應之關係 27 3.2 強震下同一建築物阻尼比與頂樓反應之關係 29 3.3 三十棟鋼結構建築物阻尼比之分析 30 3.4 台中、南投鋼筋混凝土建築物阻尼比之分析 32 3.5 小結 34 第四章 橋梁之微振量測 57 4.1 洲美快速路跨越基隆河段長跨徑鋼橋簡介 57 4.2 洲美快速路跨越基隆河段長跨徑鋼橋之現地微振實驗 58 4.2.1微振量測儀器布置 58 4.2.2微振實驗分析結果 58 4.2.2.1自然振動頻率 58 4.2.2.2 模態 60 4.3 強震資料分析 61 4.4 SAP2000模型結果 63 4.4.1 SAP2000模型之分析 63 4.4.2 模型與微振量測結果之比較 64 4.5 貓羅溪簡介 64 4.6 貓羅溪橋之現地實驗 65 4.6.1微振量測儀器布置 65 4.6.2微振實驗分析結果 65 4.6.2.1自然振動頻率 65 4.6.2.2 模態 66 4.7 SAP2000模型結果 67 4.7.1 SAP2000模型之分析 67 4.7.2 模型與微振量測結果之比較 68 第五章 橋梁動力放大因子 89 5.1 前言 89 5.2 相關理論文獻回顧 90 5.2.1 現地實驗 91 5.2.2 解析方法 92 5.2.3 國內外規範 95 5.3 微振實驗與車輛載重實驗 97 5.3.1 實驗方法 97 5.3.2 實驗理論 98 5.3.2.1 靜態載重實驗理論 98 5.3.2.2 動態載重實驗理論 99 5.4 實例分析 100 5.4.1 橋梁D.1 100 5.4.2 橋梁D.2 101 5.4.3 橋梁D.3 101 5.4.4 橋梁D.4 102 5.4.5 橋梁D.5 102 5.4.6 橋梁D.6 103 5.4.7 橋梁D.7 103 5.5 小結 104 第六章 結論與展望 115 6.1 結論 115 6.2 展望 116 參考文獻 119 附錄一 A.1∼A.4建築物微振量測之頂樓反應 123 附錄二 洲美橋及貓羅溪橋微振量測之富利葉轉換圖 133 附錄三 洲美橋SAP2000模型之設計資料 169 表目錄 表2.1 剪力屋架各層之結構特性參數 18 表2.2 剪力屋架各模態之動力參數 19 表2.3 剪力屋架之FFT識別結果 20 表2.4 剪力屋架之ARMA模型識別結果 20 表2.5 剪力屋架之ARVA模型識別結果 20 表2.5 微振量測識別結果比較 20 表3.1 A.1∼A.4建築物之基本資料 35 表3.2 A.1∼A.4建築物阻尼比之變異係數、平均值及分佈範圍 35 表3.3 A.5∼A.8建築物之基本資料 36 表3.4 A.5∼A.8建築物阻尼比之變異係數、平均值及分佈範圍 36 表3.5 30棟鋼結構建築物之基本振動頻率、周期及阻尼比 37 表3.6 36棟鋼筋混凝土建築物之基本振動頻率、周期及阻尼比 39 表4.1 洲美橋SAP2000模型各模態自然振動頻率、周期與模態質 量參與係數 69 表4.2 洲美橋微振量測與SAP2000模型之自然振動頻率比較 69 表4.3 貓羅溪橋SAP2000模型各模態自然振動頻率、周期與模態 質量參與係數 70 表4.4 貓羅溪橋微振量測與SAP2000模型之自然振動頻率比較 70 表5.1 以FFT識別之橋梁自然振動頻率與周期 106 表5.2 以ARV識別之橋梁自然振動頻率與周期 106 表5.3 靜態載重之橋梁撓度量測結果 107 表5.4 動態載重之動態額外撓度量測結果 107 表5.5 簡支梁解析解、動態載重實驗、AASHTO設計規範與安大 略高速公路橋梁設計規範之動力放大因子比較 108 圖目錄 照片2.1 微振感應器VSE-15D 21 照片2.2 攜帶式記錄器SPC-35 21 圖2.1(a) 四個感應器平面配置示意圖 21 圖2.1(b) 六個感應器平面配置示意圖與模版剛體運動示意圖 22 圖2.2 感應器沿豎向Z分佈配置示意圖 22 圖2.3 隨機遞減法取點之示意圖 23 圖2.4(a) 微振量測之速度歷時 23 圖2.4(b) RD法處理後之速度歷時 24 圖2.5 剪力屋架模型示意圖 24 圖2.6(a) X向之富利葉轉換圖 25 圖2.6(b) Y向之富利葉轉換圖 25 圖3.1 A.1阻尼比與微振均方根、最大值與富利葉振幅之關係 41 圖3.2 A.2阻尼比與微振均方根、最大值與富利葉振幅之關係 42 圖3.3 A.3阻尼比與微振均方根、最大值與富利葉振幅之關係 43 圖3.4 A.4阻尼比與微振均方根、最大值與富利葉振幅之關係 44 圖3.5 A.1∼A.4阻尼比與微振均方根、最大值與富利葉振幅之關 係 45 圖3.6 A.5阻尼比與富利葉振幅之關係 46 圖3.7 A.6阻尼比與富利葉振幅之關係 46 圖3.8 A.7阻尼比與富利葉振幅之關係 46 圖3.9 A.8阻尼比與富利葉振幅之關係 47 圖3.10 台北鋼結構建築物長向與短向阻尼比之關係 47 圖3.11 台北鋼結構建築物基本振動頻率與阻尼比之關係 48 圖3.12 台北鋼結構建築物建築物高度與阻尼比之關係 49 圖3.13 台北鋼結構建築物富利葉振幅與阻尼比之關係 50 圖3.14 台中、南投地區RC建築物基本振動頻率與阻尼比之關係 51 圖3.15 台中、南投地區RC建築物建築物高度與阻尼比之關係 52 圖3.16 台中、南投地區RC建築物富利葉振幅與阻尼比之關係 53 圖3.17 台中、南投地區RC建築物長向與短向阻尼比之關係 54 圖3.18 鋼結構、RC建築物基本振動頻率與阻尼比之關係 54 圖3.19 鋼結構、RC建築物高度與阻尼比之關係 55 圖3.20 鋼結構、RC建築物富利葉振幅與阻尼比之關係 55 照片4.1 貓羅溪橋 69 圖4.1 洲美快速道路跨越基隆河段長跨徑鋼橋立面示意圖 71 圖4.2 洲美橋微振實驗軸向、側向、垂直向之速度計配置圖 71 圖4.3 洲美橋微振實驗扭轉向之速度計配置圖 72 圖4.4 洲美橋軸向之模態（往北投向之橋體） 72 圖4.5 洲美橋軸向之模態（往社子向之橋體） 72 圖4.6 洲美橋側向之模態（往北投向之橋體） 73 圖4.7 洲美橋側向之模態（往社子向之橋體） 73 圖4.8 洲美橋垂直向之模態（往北投向之橋體） 74 圖4.9 洲美橋垂直向之模態（往社子向之橋體） 74 圖4.10 地震下（2003.06.10）往北投及社子向橋體主跨中點軸 向、側向與垂直向加速度歷時之富利葉轉換圖 75 圖4.11 地震下（2003.08.12）往北投及社子向橋體主跨中點軸 向、側向與垂直向加速度歷時之富利葉轉換圖 76 圖4.12 地震下（2003.12.10）往北投及社子向橋體主跨中點軸 向、側向與垂直向加速度歷時之富利葉轉換圖 77 圖4.13 地震下（2003.12.29）往北投及社子向橋體主跨中點軸 向、側向與垂直向加速度歷時之富利葉轉換圖 78 圖4.14 地震下（20034.05.19）往北投及社子向橋體主跨中點軸 向、側向與垂直向加速度歷時之富利葉轉換圖 79 圖4.15(a) 洲美橋SAP2000模型 80 圖4.15(b) 洲美橋SAP2000模型立面圖 80 圖4.16 洲美橋SAP2000模型橋柱、橋墩模擬示意圖 81 圖4.17 洲美橋SAP2000模型平面圖 81 圖4.18 洲美橋SAP2000模型軸向之模態 82 圖4.19 洲美橋SAP2000模型側向之模態 82 圖4.20 洲美橋SAP2000模型垂直向之模態 83 圖4.21 貓羅溪橋微振實驗軸向、側向、垂直向之速度計配置圖 84 圖4.22 貓羅溪橋微振實驗扭轉向之速度計配置圖 84 圖4.23 貓羅溪橋軸向之模態 85 圖4.24 貓羅溪橋側向之模態 85 圖4.25 貓羅溪橋垂直向前四個模態 86 圖4.26 貓羅溪橋SAP2000模型 86 圖4.27 橋墩支承之模擬示意圖 87 圖4.28(a) 側向為變位前之模型 87 圖4.28(b) 側向之模態 87 圖4.29 貓羅溪橋SAP2000模型垂直向之模態 88 圖5.1 簡支梁受等速移動荷重圖 109 圖5.2 微振感應器裝置位置圖 109 圖5.3 靜態載重施加方式 110 圖5.4 動態載重施加方式 110 圖5.5 AE-7自動水準儀 111 圖5.6 精確水準變位量測方法示意圖 111 圖5.7 車行下之動態反應之最大值 、車輛靜止下靜態反應值 與車輛移動所造成的額外撓度 關係之示意圖 112 圖5.8 橋梁D.5中點垂直向之速度歷時圖 113 圖5.9 橋梁D.5中點垂直向之速度歷時經濾波、積分後之位移圖 113 圖5.10橋梁D.5中點垂直向速度歷時經濾波、積分、基線修正後 之位移圖 114en-US阻尼比微振量測系統識別ambient testdamping ratiosystem identficationthesis