大地震後餘震不斷，建築隔震、減震原理一次看

今年 4 月 3 日花蓮地震爆發後，餘震持續了 1 個多月，各種隔震、制震建築結構也再度引起關注。這些能提升房屋抗震能力的結構有哪些類別、原理為何？

台灣地處環太平洋火山帶（ring of fire），隔三差五就發生或大或小地震，不過 1999 年 921 大地震後台灣建築耐震設計法規隨之修訂，之後申照興建的房屋基本都具備耐震能力，比如標榜 RC 結構的建築，目前國內隔震建築耐震設計規範姑且成熟。

一般來說，建築物提高抗震度的方式主要有兩大類：隔震（免震）與制震（減震、避震），前者直接隔絕地震沿地面傳導過來的能量，後者則藉由吸收的動作削減能量。

隔震

隔震設計是指將建築底層或低樓層作為「隔震層」，從該層柱子下方裝設隔震平台如：隔震盤、隔震器，作用是將上部結構與基礎構造分離，當地震來臨，隔震平台會隨地震波動變形，像彈簧一樣代替建築物位移，透過晃動給予相反的力抵銷震波能量，把由地底傳來的波與建築物本體隔絕。

最典型的隔震系統是「鉛心橡膠支承墊（Lead Rubber Bearing）」，其構造類似千層蛋糕，由鋼片與橡膠一層一層相互疊加，既能承載建築本體重量，又能利用橡膠易變形特性使整個隔震平台產生水平位移變形效果，藉擺垂原理將地震動能轉化為位能，再慢慢消散這些能量，降低地震振動對上方建築物的直接衝擊。

由於建築本體受到衝擊降低，隔震建築物通常能減少 60～70% 地震力（水平加速度），大量降低地震時搖擺程度，安全係數最高。

此外，隔震結構設計為了降低結構承受的地震力，也會搭配合適的阻尼器消能系統。

但隔震建築物並非完全沒有缺點，由於隔震平台無法抵抗向上之拉力，因此面對上下震動的地震沒有防震效果，樓層多的建築物（20 層以上）也不適用隔震設計，且隔震建物施工工期比一般建築物還要長。

制震

制震設計是指在房子結構加入制震消能元件，當結構因地震能量晃動，制震器能減弱建築物整體搖動程度，同時降低建物變形、倒塌機率。

制震消能元件可分為 2 大類：速度型、位移型。

簡單來說，速度型阻尼器對速度敏感，變形速度越快，阻尼效果越明顯（阻尼力越大），液體黏滯型阻尼器（FVD）、黏彈性阻尼器都是典型的速度型阻尼器，壁式阻尼器也多為速度型形式；

位移型阻尼器則對位移敏感，其消能能力與位移大小相關，包括：金屬阻尼器（MD）、軟鋼阻尼器、挫屈束制斜撐阻尼器（BRB）、摩擦阻尼器等。

這 2 類阻尼器對大震、小震的反應能力不同，可組合也可分開使用以發揮最大減震效能。

阻尼器（shock absorber）是最簡單也最常見的一種制震器，知名如台北 101 大樓的風阻尼器，這些機械/液壓裝置利用阻尼特性吸收或抑制衝量，以減緩力學振動及消耗動能。

若按作用原理，阻尼器可分為 4 大類：

利用彈塑性材料塑性變形的彈塑型阻尼器；
利用摩擦吸能的摩擦型阻尼器；
利用黏性材料阻尼力的黏滯型阻尼器（油壓阻尼器）；
黏彈性阻尼器。

彈塑型阻尼器主要利用軟鋼、鉛等材料的塑性變形吸能，透過將建築物與地基之間的相對位移轉換為阻尼器扭轉、彎曲變形，以吸收地震能量，構造相對簡單就能得到必要阻尼力。此外，通過改變材料截面等參數可以進一步提高阻尼性能，設計自由度較大。

據內政部建築研究所委託研究報告，1974 年 Robinson 提出了鉛阻尼器，他將鉛灌入鋼管中，通過對鉛的前後推拉來吸收能量，由於彈塑性阻尼器所用材料是建築工程中常用的鋼材，也是自然界性能最穩定的鉛，具備優良吸能能力，隨著塑性變形發生、回復、再結晶過程，晶粒變得更細，變形能力也隨之上升，被公認是最可靠的阻尼器。

摩擦型阻尼器則透過 2 個摩擦面相互接觸、摩擦獲得阻尼力，常見摩擦型阻尼器主要有 2 種，一種是將隔震結構底面對地基的相對位移轉換為磨擦面的回轉運動，另一種則將其轉換為直線運動。

黏滯性阻尼器能得到與速度的 α 次方大致成正比的阻尼力，構造是在附有活塞的圓筒中填入黏滯性流體，當活塞前後運動，黏滯性流體會快速通過活塞隙孔、因摩擦而增溫，結構動能轉換成流體熱能，從而減少結構振動量。

依力學性質，黏滯性阻尼器又可分為線性黏滯性阻尼器、非線性黏滯性阻尼器 2 種。線性黏滯性阻尼器為力量與速度成正比（Fd = CV），非線性黏滯性阻尼器則是在速度較小時，會產生比前者更大的阻尼力。

黏彈性阻尼器藉由與拉桿組合在一起的高阻尼橡膠、聚合物、矽樹脂等材料之黏彈性吸收能量，常見有：壁式黏彈性阻尼器（制震壁）、斜撐式阻尼器（BRB）。

黏彈性制震壁（VED / VEW）就像一面牆，多安裝於兩樓層大梁之間，能對震動產生的加速度、位移進行全面控制，降低地震力及建物擺動幅度，一般常用於鋼骨、鋼筋混凝土結構建築。相較於傳統斜撐式黏彈性阻尼器，壁式黏彈性阻尼器可提供較多開放空間使用，方便組裝維修，也可依設計需求增加、增大黏彈性材料剪力面積以提升消能能力。