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研究生: 蔡采玲
Tsai, Tsai-Ling
論文名稱: 應用黏彈塑性理論於支承介面摩擦衰減之橋梁模型受近斷層地震反應分析
Analysis of Near-Fault Seismic Responses Using Viscoelastoplastic Bridge Models with Varying Friction
指導教授: 劉光晏
Liu, Kuang-Yen
共同指導教授: 劉立偉
Liu, Li-Wei
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 土木工程學系
Department of Civil Engineering
論文出版年: 2022
畢業學年度: 110
語文別: 中文
論文頁數: 331
中文關鍵詞: 黏彈塑性增量分析變摩擦係數功能性支承系統近斷層地震
外文關鍵詞: Viscoelastoplasticity, Incremental analysis, Varying friction, Functional bearing system, Near-fault earthquake
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  • 本研究旨在延伸過往研究對於功能性支承橋梁之分析方法,應用黏彈塑性理論結合狀態空間法進行系統反應之解析,且加以考量橡膠支承墊摩擦係數隨滑動速度增加而衰減之行為,建立可考量支承介面摩擦衰減之橋梁的雙自由度簡化分析模型,並針對其受近斷層地震作用之反應進行分析。
    依據摩擦機制簡化與否、滑動摩擦力之解算方式,以及橋柱考量塑性與否,於研究中提出五種分析模型,並以SAP2000與實驗資料比對各模型解析之反應。參數分析部分,先進行簡化模型之設定參數分析與選用,後續則以支承墊剪力模數、橋柱高度、最大地表加速度等參數,以近斷層地震歷時進行參數分析,討論各彈性橋柱模型分析所得之位移相關反應,用以了解各模型的適用性。並接續以適切模型考量塑性後,分析支承變形與橋柱塑性行為,探究支承滑動行為與橋柱受力之交互影響,同時與不考量摩擦係數變化分析所得反應,以及規範規定進行對照。亦針對近斷層地震反應特性進行討論及說明。最後依據分析所得之結果,建議適用之模型,以及考量摩擦係數變化與否之系統反應差異,進行討論與研究。
    本研究成果顯示,將所提出之模型與SAP2000模型分析所得受震反應趨勢一致,且較為穩定,亦和實驗資料趨勢相符。此外,對於以近斷層地震執行參數分析的成果,可知變摩擦係數衰減之程度與摩擦機制不同,對於支承位移反應影響顯著,且橋柱塑性行為會較以固定最大摩擦係數分析者輕微,同時前述行為亦與系統整體歷時過程相關,顯示切實模擬摩擦係數變化確有必要。故根據模型限制與分析結果,本研究建議以能考量摩擦係數變化之含功能性支承與黏彈塑性橋柱的簡化分析模型,執行含功能性支承橋梁受震反應分析。並且依據斷層近域與遠域地震對系統受震反應之差異性,建議妥善考量震區特性,以免低估落橋風險。

    In this study, based on viscoelasticity and elastoplaticity theory and the friction mechanism of rubber bearing, five kinds of simplified models were derived. Each model contains different friction mechanisms, different solution methods and elastic or elastoplastic piers to simulate the bridge with functional bearing system. Further, all the models are represented by state-space formulation. According to the mathematical derivations, the results of time history analysis are compared with SAP2000 or experiement data to verify the models. Contiunely, the parameter analyses subjected to near-fault earthquakes are performed for discussing the applicability of models and influences that varying friction mechanism causes. After analyzing, the models which can consider the friction mechanism of rubber bearing most detailedly are recommended. Also, those results analyzed by models containing varying friction show the deformation of bearing is larger, and the plastic deformation is less than the one using Coulomb’s friction in many cases. This phenomenon comes from the lower friction coefficient that can be reached in the varying friction models and the percentage of time steps in different system phases in one time history. Moreover, the analysis results form a near-fault earthquake and a far-field one are compared to emphasize the characteristic of the near-falut seismic responses of the model with varying friction.

    摘要 I 誌謝 V 目錄 VI 表目錄 VIII 圖目錄 X 符號表 XIX 第一章 緒論 1 1.1研究動機與目的 1 1.2論文大綱 3 第二章 橋梁震害經驗、功能性支承系統發展與分析方法 5 2.1臺灣橋梁震害經驗 6 2.1.1 1999年集集地震 6 2.1.2 2016美濃地震 6 2.1.3 2018花蓮地震 7 2.2功能性支承之概念發展與研究 7 2.2.1國內對功能性支承之研究與發展 8 2.2.2國外擬隔震支承相關研究 10 2.3支承摩擦係數與滑動速度之關係 11 2.3.1鐵氟龍介面之支承摩擦係數與滑動速度之關係 12 2.3.2橡膠支承摩擦係數與滑動速度之關係 13 2.4黏著─滑動行為之分析模型 14 2.5橋梁之雙自由度簡化分析模型 14 第三章 功能性支承橋梁之變摩擦雙自由度簡化分析模型 29 3.1功能性支承之黏著與滑動摩擦機制 30 3.1.1橡膠支承之摩擦機制(friction mechanism of rubber bearing) 30 3.1.2雙線性簡化摩擦模型(bilinear friction mechanism) 30 3.1.3功能性支承之黏著─滑動機制 31 3.2摩擦為狀態變數之含功能性支承之雙自由度橋梁模型 33 3.2.1雙自由度橋梁簡化模型 34 3.2.2三相(three phases)支承系統與狀態空間表示法 35 3.2.3增量分析(incremental analysis) 39 3.2.4完整分析流程 47 3.2.5摩擦為狀態變數之含功能性支承之雙自由度橋梁模型的限制性探討 50 3.3摩擦非狀態變數之含功能性支承之雙自由度橋梁模型 54 3.3.1雙自由度橋梁簡化模型 55 3.3.2兩相(two phases)支承系統與狀態空間表示法 56 3.3.3增量分析(incremental analysis) 58 3.3.4完整分析流程 62 3.3.5摩擦非狀態變數之含功能性支承之雙自由度橋梁模型之限制性討論 63 3.4摩擦非狀態變數之含功能性支承且含雙線性彈塑性橋柱之雙自由度橋梁模型 63 3.4.1雙線性彈塑性模型(bilinear elastoplastic model) 64 3.4.2雙自由度橋梁簡化模型 66 3.4.3四相(four phases)橋梁系統與狀態空間表示法 69 3.4.4增量分析(incremental analysis) 73 3.4.5完整分析流程 82 3.5功能性支承橋梁之變摩擦分析模型統整與說明 85 第四章 參數分析與比較 99 4.1功能性支承橋梁之變摩擦雙自由度簡化分析模型之比較與驗證 100 4.1.1功能性支承橋梁之變摩擦雙自由度簡化分析模型與SAP2000分析結果比較 100 4.1.2以既有分析方法驗證Model 5 104 4.1.3以實驗資料驗證Model 4與Model 5 104 4.2參數分析 107 4.2.1摩擦衰減斜率對系統反應之影響 107 4.2.2 Model 2之臨界滑動速度設定 108 4.2.3支承摩擦係數變化對於系統反應之影響 109 4.2.4 變摩擦係數模型之支承與橋柱間交互影響 114 4.2.5變摩擦係數模型分析所得反應與滑動及塑性資料點數占比討論 119 4.3變摩擦係數模型於斷層近域與遠域地震作用下之反應比較 121 4.4模型適用性與分析結果之討論 122 第五章 結論與建議 325 5.1結論 325 5.2建議 326 參考文獻 327 附錄 331

    1.張國鎮、黃炯憲、高健章、許添本、詹穎雯、蔡孟豪、黃世建、呂守陞、林錫鈞、李有豐、蔣偉寧、周健捷、謝定亞、張瑞宏、李釗、莫怡隆、陣培麟、郭振銘、顏榮記、盧煉元、鄭錦銅、施明祥、陳建旭、林世強、張德文、吳重成、劉明仁、雷英暉、林堉溢、徐耀賜、詹次降、李秉乾、康裕明、江篤信、丘惠生、張荻薇、王昭烈、曾榮川、宋裕祺、陳光輝、李姿瑩、笵川江、李一聖,「九二一集集大地震全面勘災報告─橋梁震害調查」,國家地震工程研究中心,報告編號:NCREE-99-055(1999)。
    2.C.-H. Lu, K.-Y. Liu, K.-C. Chang, “Sesimic performance of bridges with rubber bearings: lessons learnt from the 1999 Chi-Chi Taiwan earthquake”, Journal of the Chinese Institute of Engineers, Vol. 34, pp. 889–904 (2011).
    3..宋裕祺、葉芳耀、李政寬、陳俊仲、李柏翰、許家銓、李路生,「台86線24號橋之車載試驗與長期監測」,國家地震工程研究工程中心簡訊,第102期,第1–8頁(2017)。
    4.宋裕祺、洪曉慧、陳俊仲、蘇盡國、李柏翰、江奇融,「0206花蓮地震橋梁震損調查與分析」,地工技術,第156期,第55–64頁(2018)
    5.劉光晏、曾子俊、楊卓諺、江奇融、鍾立來、張國鎮,「橋梁功能性支承系統之位移解析與振動台實驗研究」,中國土木水利工程學刊,第28卷,第1期,第1–10頁(2016)。
    6.郭拱源,「由集集地震震害探討公路橋梁耐震補強策略」,國立台灣大學土木工程研究所博士論文(2003)。
    7.吳秉憲,「橋梁功能性支承系統參數之研究─橡膠支承墊力學行為與摩擦係數之測定」,國立台灣大學土木工程研究所碩士論文(2004)。
    8.陳皇嘉,「裝設橡膠支承墊於橋梁縮尺模型之試驗與分析」,國立台灣大學土木工程研究所碩士論文(2005)。
    9.鄭維晉,「裝設橡膠支承墊之斜橋縮尺模型試驗」,國立台灣大學土木工程研究所碩士論文(2008)。
    10.廖垣銓,「裝設橡膠支承墊於縮尺雙跨橋梁模型之試驗與分析」,國立台灣大學土木工程研究所碩士論文(2006)。
    11.陳威逸,「含功能性支承縮尺橋梁之試驗與分析」,國立台灣大學土木工程研究所碩士論文(2007)。
    12.劉光晏,「橋梁功能性支承系統耐震性能設計與評估補強方法之研究」,國立台灣大學土木工程學研究博士論文(2006)。
    13.盧智宏,「含功能性支承橋梁位移設計法之研究」,國立台灣大學土木工程學研究博士論文(2011)。
    14.E. T. Filipov, J. F. Hajjar, J. S. Steelman, L. A. Fahnestock, J. M. LaFave, D. A. Foutch, “Computational analyses of quasi-isolated bridges with fusing bearing components”, Structures Congress 2011©ASCE 2011, pp. 276-288 (2011).
    15.E. T. Filipov, J. R. Revell, L. A. Fahnestock, J. M. LaFave,J. F. Hajjar, D. A. Foutch, J. S. Steelman, “Seismic performance of highway bridges with fusing bearing components for quasi-isolation”, Earthquake Engineering & Structural Dynamics, Vol.42, pp. 1375-1394 (2013).
    16.J. S. Steelman, L. A. Fahnestock, T. Filipov, J. M. LaFave, J. F. Hajjar, D. A. Foutch, “Shear and friction response of nonseismic laminated elastomeric bridge bearings subject to seismic demands”, Journal of Bridge Engineering, Vol.18, pp. 612-623 (2013).
    17.A. Mokha, M. Constantinou, A. Reinhorn, “Teflon bearings in base isolation. I: Testing”, Journal of Structure Engineering, Vol.116, pp. 438-454 (1990).
    18.M. Constantinou, A. Mokha, A. Reinhorn, “Teflon bearings in base isolation. II: Modeling”, Journal of Structure Engineering, Vol.116, pp. 455-474 (1990).
    19.S. Nagarajaiah, A. M. Reinhorn, M. C. Constantinou,“Nolinear dynamic analysis of 3-D base-isolatied structures”, Journal of Structure Engineering, Vol.117, pp. 2035-2054 (1991).
    20.Y.-P. Wang , W.-H. Liao, C-L. Lee,“A state-space approach for dynamic analysis of sliding structures”, Engineering Structures, Vol. 23, pp.790–801, (2001).
    21.J. Wen, Q. Han, X. Du, “Shaking table tests of bridge model with friction sliding bearings under bi-directional earthquake excitations”, Structure and Infrastructure Engineering, Vol. 15, pp. 1264–1278 (2019).
    22.H.-K. Hong, C.-S. Liu, “Coulomb friction oscillator: modeling and responses to harmonic loads and base excitations”, Journal of Sound and Vibration, Vol. 229, pp.1171-1192 (2000).
    23.H.-K. Hong, C.-S. Liu, “Internal symmetry in bilinear elastoplasticity”, International Journal of Non-Linear Mechanics”, Vol. 34, pp. 279-288 (1999).
    24.黃登綱,「橋梁功能性支承系統於斷層近域之耐震性能」,國立成功大學土木工程研究所碩士論文(2018)。
    25.L.-W. Liu, K-Y. Liu, D.-G. Huang, “Incremental analysis for seismic assessment of bridge with functional bearing system subjected to near-fault earthquake”, International Journal of Structural Stability and Dynamics, Vol 19, 1940003 (2018).
    26.交通部,「公路橋梁耐震設計規範」,交通技術標準規範公路類公路工程部,交通部(2018)。
    27.詹昆霖,「隔震技術應用於提昇既有橋梁耐震能力之研究」,國立交通大學工學院碩士在職專班營建技術與管理組碩士論文(2007)。
    28.Computers and Structures, Inc., “CSI Analysis reference manual for SAP2000, ETABS, SAFE and CSiBridge”, University of Califorina at Berkeley, California USA (2017).
    29.台灣省交通處公路局,「橋梁工程標準圖─預力混凝土簡支梁橋(PCI型梁橋)」 (1991)。
    30.交通部,「公路橋梁設計規範」,交通技術標準規範公路類公路工程部,交通部(2020)。
    31.交通部,「公路橋梁耐震評估與補強設計規範」,交通技術標準規範公路類公路工程部,交通部(2020)。
    32.王正中,「橋梁合成橡膠支承之設計與相關規範之探討比較」,中興工程,第46期,第61–71頁(1995)。
    33.T. Takeda; M. A. Sozen, N.N. Nielsen, “Reinforced concrete response to simulated earthquakes”, Journal Structure Division, Vol 96, pp. 2557–2573 (1970).
    34.K.-Y. Liu, L.-W. Liu, D.-G. Huang, T.-L. Tsai, “Viscoelastoplastic and incremental analysis of bridges with functional bearing”, Journal of Sound and Vibration, Revised (2021).

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