本研究提出相位控制之主動控制律，研發出相位控制主動調諧質量阻尼器 (Phase Control-Active Tuned Mass Damper, PC-ATMD)。其中相位控制律又可因結構回饋之量測訊號不同，區分為「位移回饋」與「絕對加速度回饋」兩種形式。從而發展相位控制位移回饋之主動調諧質量阻尼器(Phase Control Displacement feedback-Active Tuned Mass Damper, PCD-ATMD)與相位控制絕對加速度回饋之主動調諧質量阻尼器(Phase Control absolute Acceleration feedback-Active Tuned Mass Damper, PCA-ATMD)。不論PCD-ATMD或PCA-ATMD，兩控制律皆僅需設計2增益參數，實務上容易實行，且設計之2增益參數，可由傳統控制理論之直接輸出回饋(或稱靜態輸出回饋)方法進行最佳設計。本研究所提之PC-ATMD，是於調諧質量與結構間施加控制力，藉由控制力即時調整質量阻尼器之運動軌跡，使調諧質量盡量保持與結構有-90度之相位差，因此調諧質量阻尼器將有最大之能量流(Power Flow)，而有最佳之減震效果，且可避免TMD吸收之動能又傳回結構。PC-ATMD具有優異之減振效果，可有效降低地震力作用下之結構位移與加速度反應，且遠優於傳統被動式TMD。而與全狀態回饋之線性二次調節控制(Linear Quadratic Regulator, LQR)主動式調諧質量阻尼器相比，PC-ATMD之減振效果與所需控制力皆可與之媲美，但因不需全狀態回饋，量測數量可大幅減少，或無狀態重建之需求；如為結構位移回饋之PCD-ATMD，僅需量測質量塊之相對結構之速度及結構相對地表之位移；如為結構絕對加速度回饋之PCA-ATMD，僅需量測質量塊之相對速度及結構絕對加速度，觀測量皆為2。PCA-ATMD應於多自由度高樓結構應用時此特點最為明顯，高樓結構因結構頂樓相對地表位移量測十分不易，因此量測僅需PCA-ATMD安裝樓層之絕對加速度與質量塊之相對速度，可帶來極大便利性，具分散式控制之優點。另外，主動控制實行時須確保系統之穩定，由系統穩定性分析可以得知，PCD-ATMD與PCA-ATMD皆為穩定可控之系統，且兩者之回饋增益參數對減振效果影響並不非常敏感，顯示本控制律具有良好之強健性。

位於環太平洋地震帶的台灣，地震災害嚴重影響人民生命財產安全，尤其在經歷過集集大地震後，越來越多人投入研究地震預警系統以及隔減震控制。傳統的隔減震系統常常因為在不同的地震擾動下有不同的結構反應，因此地震工程領域中，除了以加速度、速度與位移當作其地表運動特性外，還分做近斷層地震和遠域地震，藉此針對不同特性進行半主動控制之控制律設計，以進行相對應的控制。本研究根據先前提出之GA-Fuzzy提出改進，其中NF Ratio參數作為量化近遠域特性已被證明具有一定的相關性，但在判定近遠域地動上仍有中間的模糊地帶，於擴充地震資料庫後明顯顯現出其劣勢，因此採用名為長短期記憶模型(Long Short-Term Memory, LSTM)的類神經網路，以地震主震波到達前3秒之初達波加速度訊號作為輸入，提出一套能預測近斷層地震或遠域地震的預測模組，以利分別為其設計控制參數決定方式。另外，本研究也為地震資料庫與控制參數進行敏感性與參數分析，挑選更具指標性的代表性地震與其控制參數，藉此建立並優化控制參數與地表運動之模糊曲面，讓抑制隔震層位移或上部結構加速度的效果最大化。最後，在將槓桿式可變勁度隔震系統(Leverage-type Stiffness Controllable Isolation System, LSCIS)進行零件更換後，於實驗階段進行振動台試驗，結果顯示隔震系統於維修後大幅改善，並於近斷層或遠域地震下，對比過去控制律皆有不錯的控制成效，驗證了本研究改善後的GA-revised智慧型隔減震即時控制系統。

關鍵詞：半主動控制；近遠域地動特性；地震預警系統；長短期記憶模型；模糊控制

A bridge with the functional bearing system, where friction mechanism of rubber bearing reduces the force transmission between the substructure and the superstructure, shows visco-elasto-plastic behavior. The previous work [Li-Wei Liu, K.-Y. Liu and 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, No. 1, 1940003, 2019.] shows a simplified two-degree-of-freedom (2DOF) model for a bridge with the bearing system containing Coulomb's friction element that displays mechanical behavior including the sticking (viscoelastic) and the sliding (viscoplastic) modes. However, much evidence of experiment shows that the value of friction coefficient is related to the sliding velocity, and it can be increase or decay depends on the different interface materials. As a result, we introduce a new model of functional bearing system to present the decay of friction coefficient with the sliding velocity increasing in this study. A bilinear formulation of friction coefficient to represent the decay and limit of the sliding coefficient is proposed and three phases of the model including sticking-phase, sliding-phase with varying friction and sliding-phase with constant friction are recognized. Furthermore, the bridge with the friction-varying functional bearing system is simulated according to the proposed model.

近年來，世界各地發生不少強震，2008年中國四川大地震、2010年智利地震、2011年日本東北地震與2015年尼泊爾地震等。對於地震工程與結構隔震領域的學者，其逐漸重視近斷層(near-fault)地震力對於傳統耐震結構或隔震結構之影響。不同於遠域地震(far-field)，近斷層地震力有較高之低頻頻率內涵，其可觀察到具有一速度之脈衝，也會造成永久之位移。傳統隔震結構常用之隔震週期介於2至3秒間，恰好落在近斷層震波之常見主震週期內。所以要注意這樣的系統裝置在靠近斷層之結構物，所可能發生的共振效應，其非但無法發揮隔震效果，反而造成災難。例如摩擦單擺隔震支承 (FPB) 因其振動頻率是由曲率半徑R所掌控，當曲率半徑經設計而固定後，則隔震器之振動頻率也固定了，隔震器的振動頻率固定，即其回復力為線性的，有激發系統的共振效應的危險。有鑒於此，對於結構隔震領域而言，具備頻率不固定之非線性隔震系統，則能有效降低隔震系統於近斷層地震力作用下之放大效應。偏心滾動隔震系統(Eccentric Rolling Isolation System, ERIS)便屬其一，此隔震系統之質塊以插梢配合偏心方式，梢接於圓形隔震器上，則其滾動行為呈現非線性。過去初步研究已證明，偏心滾動隔震系統因其勁度之非線性，造成其頻率不固定，故可有效避免近斷層地震對於隔震結構反應之放大效應。然而，此一非線性隔震系統，其隔震頻率主要受到圓形隔震器之半徑主導，已理論而言，要佔用較大之空間，故未能進行相關試驗。
有鑑於前述幾項對於偏心滾動隔震系統之缺點，本研究特別針對過去對此一隔震系統於忽略圓形隔震器之慣性影響的假設進行探討，發現考慮圓形隔震器之質量後，因其慣性對系統之影響，可將圓形隔震器之半徑大幅縮小，並保有隔震系統所需之長週期特性及適度的非線性特性。此一微幅的改進，從理論之建立，配合數值模擬，初步探討圓形隔震器質量對隔震性能的影響。依參數敏感度分析之結果發現，圓形隔震器之質量相對隔震標的物之質量佔比越大的情況下，可使隔震系統之週期延長。再者，從頻率響應的結果看來，增加圓形隔震器質量，可降低外力為共振頻時的加速度反應，代價是微幅犧牲高頻外力下之隔震效果。再進一步以小型振動台進行試驗，試驗項目包含，自由振動、簡諧波及數筆近斷層與遠域震波，將量測結果配合理論進行擬合，由試驗結果可證明理論之正確性。綜合理論與試驗結果，確實證明此偏心滾動隔震系統之隔震效益，且在機構上，透過適度增加圓形隔震器之質量，便可換取尺寸之縮減，提升實務應用之可行性。

本研究探討調諧質量阻尼器於結構補強之耐震行為，調諧質量阻尼器為一有效的振動能量吸收器，連接主要結構以降低其在諧和外力擾動下之振動反應，基本原理為將調諧質量阻尼器的自然頻率調整到接近主要結構的基本振動頻率，進而產生兩者之反相位共振以消散外力擾動能量。過去已有許多研究提出不同之最佳化設計目標函數，並發展主動與半主動調諧質量阻尼系統以大幅提升控制效能，其在工程上之應用，由早期應用於降低高層建築物因風力擾動產生的振動，後來將其應用於土木結構之抗震設計。因此，本研究內容將考慮合理的質量比與目標函數，利用簡化自由度結構模型(調諧質量阻尼器與主要結構)推導最佳化設計方法，以數值分析與振動台試驗結果驗證調諧質量阻尼器於結構補強之可行性，研究成果期能提出具體之調諧質量阻尼器於結構補強設計流程，以供實務工程應用。

國震中心2017年完成建置臺南實驗室，其中雙軸向動態測試系統(Bi-Axial dynamic Testing System，BATS)為目前全球少數具備動態試驗能力之先進大型壓剪試驗機，如同美國加州大學聖地牙哥分校(University of California，San Diego，UCSD)的六自由度結構構件動態測試設施(Seismic Response Modification Device，SRMD)，皆有助於國內外隔震技術之研發，以及隔震支承實體與性能之測試的。BATS在水平向可達到的最大位移為±1.2 m，最大速度為±1.0 m/s，最大出力為±4.0 MN；垂直向最大位移為±7.5 cm，最大速度為±15 cm/s，施加於試體之最大軸壓力為60 MN。BATS由反力構架、載重平台、油壓致動器與基礎組成，透過水平向架設四組2 MN的動態致動器，連接於載重平台與基礎，以提供水平向力量與位移，載重平台底部於垂直向配置六組5 MN動態致動器與1組30 MN靜態致動器，一端與載重平台接觸於不銹鋼板上，另一端固定於基礎，以提供垂直向力量與位移，同時為了防止系統受傾覆力影響及增加油壓組件之穩定性，設置油壓反力系統，由反力樑及四組靜態致動器組成。
對於系統水平力量測而言，目前執行隔震支承測試時，並無法安裝合適的荷重計，針對試驗過程中之力量進行量測，皆須透過水平致動器之差壓計間接獲得，因此數值中會包含驅動系統之力量值，此為力量量測誤差之來源。此驅動系統之力量值，可進一步分為摩擦力(包含致動器本身運作之摩擦力與垂直向致動器與載重平台間接觸面之摩擦力)與慣性力(由載重平台、部分水平致動器運動端與部分試體所提供的慣性質量所造成)。因此，本研究即考慮針對不同尺度之隔震支承墊，透過不同的量測技術之研發，盡可能地減少量測之誤差，以獲得更為適切之試驗數據。
首先，本研究針對系統的摩擦係數與等效質量進行識別，目的為透過識別所回歸之經驗公式，可依據試驗過程中之動態加載速度與軸力變化等參數，對於試驗之力量結果進行摩擦力與慣性力之修正。本研究針對系統空載與安裝有平面滑動摩擦隔震支承(於垂直力量作用下)之狀況下，透過一系列反覆循環載重試驗，透過統計與迴歸分析進行擬和，求得系統摩擦係數與等效質量。主要三步驟概述如下：(1)系統空載下，進行一系列三角波與正弦波之反覆循環載重試驗，由試驗結果可求得，無垂直力量加載下，系統等效質量和平均摩擦係數與水平速度之經驗公式；(2)安裝平面滑動摩擦隔震支承，於施加垂直力量狀況下，分別進行三角波與正弦波之循環載重試驗，由試驗結果可求得於不同垂直力量加載下，系統平均摩擦係數與水平速度之經驗公式；(3)執行足尺寸滑動摩擦隔震支承之試驗，根據試驗數據與理論值之分析探討，驗證前述等效質量與系統摩擦係數之合理性與適用性。
再者，除了針對系統的摩擦係數與等效質量進行識別外，本研究亦提出一種透過物理設計機制取代荷重計之方式，突破前述中無法安裝合適荷重計之困難，對於試體之水平力量值直接進行量測。隔震支承之試體為例，將試體與量測構架以垂直向串聯之方式，安裝於BATS系統中；其中，隔震支承位於下方與載重平台相接，量測構架下方與隔震支承相接，上方則固定在系統之反力固端。量測構架則由一組低水平向勁度之天然橡膠隔震支承，與四支水平向鉸接之預力鋼棒並聯所組成(預力鋼棒一端鉸接於天然橡膠隔震支承與試體相接之轉接版，另一端鉸接於自系統固端向下延伸之垂直鋼柱)；因此隔震支承的水平力，會經由量測構架的天然橡膠隔震支承與預力鋼棒傳遞至系統固端。由於四支預力鋼棒的軸向勁度遠高於天然橡膠隔震支承之水平向勁度(約為100倍)，因此於預力鋼棒上貼附之應變計，可確保其量測得到試體99%之水平力量值，而剩餘的1%則可透過天然橡膠隔震支承水平向變位與勁度之理論公式進行推估。如此做法可以大幅漸少誤差來源，目前已針對該試驗進行製作，預計於本年度下半年完成前導試驗。