傳統之結構耐震設計係利用結構物本身之構材強度、勁度與韌性變形的能力來抵抗地震力，以消散地震輸入結構之能量，確保結構物在強震下不至於立即倒塌。但從 921 集集地震後，發現許多結構物雖未崩塌，卻造成非結構構件或附屬設施之破壞，因而喪失建築物原有之功能。

近年來工程專家學者為能同時降低層間變位與樓層加速度這兩種結構反應，逐漸發展出結構防震新方法，包括結構主動控制 (Structural Active Control) 、結構被動控制 (Structural Passive Control) 、結構混合控制 (Structural Hybrid Control) 、以及結構半主動控制 (Structural Semi-Active Control) 等，並且已有不錯的成果及應用實例。

本文介紹目前國內、外應用調諧質量阻尼器之實例，及其相關之研究成果，期能提供讀者對於結構設計、補強或修復工作之進行時，多一種新的解決方法。

 

壹、前言

2004 年 12 月 31 日 ，世界第一高大樓─台北 101 金融大樓 ( 表 1) 正式開幕。高達 508 公尺的台北 101 大樓，除擁有世界最快速的電梯外，從 92 樓懸掛下來， 造價 400 萬美元、重達 660 公噸、直徑 5.5 公尺的大圓球亦榮登金氏世界紀錄，成為建築史上最大的阻尼球！這外露並開放供民眾參觀而聲名大噪之阻尼球系統，即作為大樓抗風裝置的調諧質量阻尼器。

調諧質量阻尼器依系統是否需額外施力，可分為主動與被動調諧質量阻尼器 (Active/Passive Tuned Mass Dampers) ，簡稱 ATMD 或 PTMD ，通稱 TMD 。而 TMD 最初是被應用在機械振動之控制，直到 1970 年代始被設計用以降低結構受風力作用時之振動；迄今 PTMD 對結構承受機械和風力之反應抑振作用已被接受及肯定 [ 1∼3] ，許多 PTMD 已成功的安裝於現存之高樓建築及高塔中，如美國紐約之 Citicorp Center ，波士頓之 John Hancock 大樓、加拿大多倫多之 CN Tower 及澳洲雪梨的 Sydney Tower 等。在日本更有數個觀測塔亦安裝了 PTMD 。由這些實際結構觀測報告指出，風之加速度效應至少被消減了 40% ，足見 PTMD 抗風的效果。除此之外， Rainer 和 Swallow[4] 、 Thornton et al.[5] 、 Setareh 和 Hanson[6] 分別應用 PTMD 來降低因人為活動所產生的樓板振動，而 Kwon et al.[7] 、 Wang et al.[8] 則分別進一步研究 PTMD 對受列車載重作用高速鐵路橋樑之減振效用。

表 1 台北 101 的各項數據

調諧質量阻尼器 (TMD) 由質塊、彈簧 ( 勁度 ) 與阻尼系統組成，藉由將其振動頻率調整至主結構頻率附近，改變結構共振特性 ( 圖 1 ) ，以達到減振效用。圖 2為一典型的結構有無裝設 PTMD( 與主結構質量比為 2%) 之位移轉換函數圖，由圖中可看出，結構共振峰於陰影區的頻率範圍由於裝設 PTMD 而大為降低，顯現 PTMD 對結構共振反應的制振效用。然而，由於實際進行 PTMD 設計時，需要準確計算主結構動態參數，特別是基本振動頻率，因此於實際應用時，常由於設計時主結構自然頻率估算或識別不準確，或製造及施工時的誤差，造成 PTMD 最佳頻率之設計值有所偏差，以致於未調諧於正確之頻率，而產生離頻效應 (detuning effect) ，加上單一 PTMD 對最佳頻率比之偏移誤差相當敏感，因此在實際應用上是一明顯缺失。

近年來，許多學者為改善此一問題，相繼提出多元調諧質量阻尼器 (Multiple Tuned Mass Dampers, 簡稱 MTMD) 之裝置 [ 9∼11] ； MTMD 基本上是由許多頻率分布於欲控制模態頻率附近之小質量阻尼器所組成，相較於 PTMD ，兩者具有相同總質量，但 MTMD 之可控制頻寬較單一 PTMD 增大，因此，對離頻效應之敏感度大為降低。

圖 1 調諧質量阻尼器 (TMD)

圖 2 結構有無裝設 PTMD 之轉換函數示意圖

目前建築物裝設 TMD 以降低風力振動之效果已被肯定，然而一般考慮風力振動而裝設 TMD 時，大都將結構物模擬成線彈性狀態而設計，但發生強烈地震時，建築物承受強烈地震力作用後，結構系統已進入非線性狀態，此時 TMD 對建築物之減振效果如何？

一、Sladek,Klingner[16] 以 EL Centro 1940 地震力作用在裝設 TMD 之 25 層建築物上。發現在非彈性狀態， TMD 對降低結構最大位移及結構基底側向力之效果不大。

二、Soto-Brito, Ruiz [17] 研究發現一裝設 TMD 之 22 層建築物受中度地震時， TMD 對建築物仍有減振效果，但變為強震時， TMD 之減振效能就會降低。

三、Lukkunaprasit, Wanitkorkul[18] 研究發現 以 Mexico City 1985 和 Bangkok 1995 地震力作用在裝設 TMD 之 5 層樓建築物上，建築物在非彈性狀態下 TMD 能有效減少臨界樓層累積遲滯能量。

四、 Genda Chen,Jingning Wu.[19] 以四分之一等比例裝設 MTMD 之三層樓鋼構架做震動台實驗，發現結構物在 white-noise 作用下， TMD/MTMD 系統皆能有效降低結構反應至 62 % ，若震動頻率符合 結構之主要頻率 時，採用 MTMD 系統更能有效降低結構反應。

五、Pinkaew,Lukkunaprasit,Chatupote[20] 將一棟 20 層樓之鋼筋混凝土建築模擬成等值非彈性單一自由度 (SDOF) 系統，並以 Mexico City 1985 地震力作用後發現：結構系統降伏後 TMD 無法降低最大位移，但是 TMD 可減少結構損壞。

六、蘇崇豪 [24] 針對彈塑性扭轉耦合結構探討 TMD 的有效性，發現 TMD 之設計位置與結構勁度中心異側時為最佳，且 TMD 的阻尼及主結構耦合程度增加時，對 TMD 之效能都有其助益。

七、林裕程 [25] 討論結構在中度地震及大地震下 TMD 的減振效能，並以四種不同之 TMD 配置做比較，發現對大部份周期的結構 TMD 可以降低其最大彈性位移，但在某些情況下卻有反效果；四種 TMD 對於降低最大彈性位移而言，效能大致相同無明顯優劣之分。但是當結構有偏心時， TMD 能有效的降低遲滯能。

八、高道淵 [26] 探討裝設被動調諧質量阻尼器之結構物在非線性狀態下受地震力作用之減振效果，發現當結構物在地震力作用下其行為並不適合用線彈性或完全彈塑性模型來做分析。而多頻式 TMD 可有效克服結構物降伏後，傳統式 TMD 所產生之離頻效應。

台灣電子產業蓬勃發展，相關廠房設施應運而生；目前在高科技廠房的設計常使用格子梁穿孔樓版構造施建潔淨室，由於產品具高度化精密，其高靈敏度之特性使得無法接受一般廠房樓版之振動，必須嚴格要求儀器和生產設備在作業環境之振動量。

目前高科技園區廠房結構與設備承受天然外力 ( 如強風、地震或地表微振 ) 或人造擾動 ( 如車行、人行或機器運轉 ) 引致之振動分析與減振策略普受國內產業與學術界之重視，過大的振動反應將影響高科技產品製造精度以及員工工作環境，因此，設計製造經濟又有效之減振裝置為迫切之研究課題。目前，國內外相關研究偏向隔離或減弱振源或降低整體結構反應，這需要數量多而且大尺寸之減振裝置。

目前本工程司於 94 年度成立「高科技廠房之樓版減振裝置設計與測試 (Ⅰ) 」研發計畫，與國立中興大學土木工程學系合作，對高科技廠房樓版振動之評估、減振裝置之設計及實體裝置研發進行系統化之研究，並期望研究成果可供實際應用於合適之廠房結構，而達到兼顧經濟與振動要求之目標。

一、TMD 應用於增加使用建築物的舒適性，已有良好之成效，但若用來提高結構在地震作用下的安全性則仍無十足把握；因此採用 TMD 做抗風設計時，必須考慮於強震下是否會對結構物產生負面效果。

二、分析設計之結構模型需盡量反應真實結構物的行為，否則應採行較保守之設計。

三、在結構非線性狀態下是否產生離頻效應，多頻式 TMD 較優於傳統式 TMD ，尤其是當同質量 PTMD 之制振頻率分愈多其制振效果愈好。

四、未來之結構設計，除了耐震設計採用之韌性設計外，隔震、消能之設計理念亦提供結構物經濟及安全之另一項選擇。