杜風 80 期特別報導

小實驗大發現，結構實驗之我見

劉光晏

國家地震工程研究中心橋梁組副研究員

翻開土木系的課程，除了艱澀的理論外，大多數的課程都與實驗有關，基本課程如材料試驗、結構試驗、流力試驗、土力試驗等，近年來更增加數位設計、實務設計與實作設計課程，注入新的元素，讓學生得以親身感受由無到有、由發想到落實應用的過程。筆者過去大學生活中還來不及體驗前述如此有趣的課程，但研究所階段迄今的工作中，卻經常與實驗打交道，不僅是得把東西設計出來，還得把它給搞到破壞，而且還是不壞不行，非得看到殘缺不全才高興。聽起來有點可怕，但大自然給人的挑戰不正是如此，尤其是地震所引致的結構性災害。

「地震是最真實的實驗」，只要是經歷過地震的人大概都會同意這句話；但要重現一個地震談何容易，況且地震在同一地點發生相同規模的機會更是微乎其微。因此，為了解地震對結構物的損害，研究者通常會嘗試三種結構實驗方法：反覆載重實驗、擬動態實驗，與振動台實驗。簡單講就是從靜力開始，逐漸增加複雜度直到可以模擬結構物在地震晃動的反應過程。以橋柱反覆載重實驗為例，如圖1所示，就是將橋柱反覆側推至某個指定的位移，位移量可隨設計需要由小到大、由大至小、或做任意組合，側推方向可以是單一方向也可以是多軸向。試體製作可參考實際結構進行縮尺，比例儘可能越大越好，但要搭配加載設備之位移衝程與力量上限。

圖1 筆者執行之橋柱反覆載重實驗

反覆載重實驗的目的在於獲得結構物的容量曲線，就是力與變形的關係，這也是為什麼前面提到實驗要儘可能做到結構物破壞（包括撓曲、撓剪、剪力、挫屈等）的原因，如此才能展現出結構的極限狀態，才有機會預先得知結構物在大地震中會損壞到何種程度，並開發結構分析模式模擬實驗結果。

擬動態實驗與反覆載重實驗類似，如圖2所示，但其特點在於將地震力透過數值計算的方式變成位移量後，再反覆側推移施加在試體上。所以，實驗外觀與反覆載載重實驗很像，但實驗結果代表試體在某個特定地震下的反應，而反覆載重實驗與地震輸入無關，這是兩者很大的差別。

圖2 筆者執行之牛鬥橋擬動態實驗

為能獲得更貼近地震下的結構行為，獲得結構體之加速度、速度與位移變化，振動台實驗是最佳的選擇，如圖3所示。相較於反覆載重實驗，因考量振動台承重限制，試體設計必須考量尺寸效應的影響，所以試體尺寸通常都不大。相較於擬動態實驗，實驗過程一樣是輸入地震波，只是振動台是由地表產生振動，如同真實結構物受到地震晃動的過程。一般而言，振動台實驗之主體結構為彈性，只有少數構件允許產生非線性行為，如此才可進行重複性實驗，只要改變地震紀錄的組別或峰值，就可大量收集實驗數據，觀察相同結構物在受到各種不同不同地震作用下的反應，這也是其與反覆載重實驗或擬動態實驗相異之處，也是研究地震工程迷人之處。

圖3 筆者執行之單跨橋梁樁基礎裸露振動台實驗

筆者有幸在學生階段，於2005至2006年間參觀多所加入美國NEES計畫（Network for Earthquake Engineering Simulation）的大學結構實驗室，如圖4至圖9所示，包括紐約州立大學水牛城分校（State University of New York at Buffalo）、內華達大學利諾分校（University of Nevada, Reno）、加州大學柏克萊分校（UC Berkeley）、理海大學（Lehigh University）、加州大學戴維斯分校（UC Davis）。Buffalo與Reno特點是擁有多振動台，並各自發展槽溝式多振動台實驗技術及地組式多振動台實驗技術，完成大型木構造、節塊橋梁、曲線橋梁振動台實驗。

圖4 紐約州大學水牛城分校之多振動台實驗室

圖5 內華達大學利諾分校之多振動台

Berkeley亦擁有一振動台，但近年來以發展混合實驗技術著名，Lehigh亦開發即時混合實驗技術，並完成大型鋼構架實驗。Davis的特色則是離心機，可模擬真實重力條件下的土壤結構互制行為。

圖6 加州大學柏克萊分校Prof. Stephen A. Mahin 解釋橋墩振動台實驗

圖7 加州大學柏克萊分校Prof. Stojadinovic 解釋混合實驗技術

圖8 理海大學橋墩即時擬動態實驗

圖9 加州大學戴維斯大學分校離心機

除NEES計畫長期補助各大學研究者與學生進行先進實驗外，2006年EERI協會（Earthquake Engineering Research Institute）舉辦第8屆國家地震工程會議暨1906年舊金山大地震100周年紀念研討會之同時，透過競賽方式讓學生發揮創意與體驗結構設計成果，如圖10所示，並在舊金山市區廣設攤位推廣結構耐震、隔震與減震技術，如圖11至圖14所示，使一般民眾也得以瞭解耐震評估及補強的重要性。