淡江大學土木工程學系碩士班學位論文
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論文提要內容： 早期求解結構最佳化問題時，大多採用數學規劃法，此方法需要計算繁雜的梯度函數，而且求得的解答往往僅為局部最佳解；而類神經網路法有別於此類方法，是一種平行分散處理的計算模式，其所建構的分析模型具有非線性特性，可獲得較一般迴歸分析更準確的結果。為此，本文以類神經網路法進行鋼結構最佳化設計，一方面藉此瞭解類神經網路法在求解結構最佳化問題之適用性，一方面藉以建立梁柱構件及梁柱構架等鋼結構之最佳化設計模式。 本文針對梁柱桿件及梁柱構架等鋼結構，首先利用鋼結構設計手冊內的常用H型鋼斷面，以及由均勻隨機亂數產生的可變H型鋼斷面建立兩種不同測試集，再以自編軟體進行測試樣本之結構強度計算，以ETABS軟體進行結構分析，以類神經網路法建立預測模型，最後以CAFE程式進行結構最佳化設計。本文所採用的CAFE程式是一種基於類神經網路法與實驗計畫法的最佳化設計系統。研究成果顯示，運用本文之最佳化設計模式搭配CAFE程式確實可以獲得比以往文獻更輕的設計成果。本文研究成果大幅提升類神經網路法應用於結構最佳化之實用性。
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本研究由傳統主動式結構控制理論必須建立精確的結構數學模型，經由此數學模型來設計控制律。而土木結構系統常為一複雜的多自由度系統，要將結構反應以數學模型精確完整地描述，難度很高，Benchmark 研究計畫的結構數學模型即相當複雜。現代控制理論如模糊控制、調適型控制、可變結構控制及最佳化控制等，以直接狀態回饋控制來解決上述問題，控制律之設計以直接輸出回饋作為依據；其中尤以模糊控制理論(fuzzy control theory)，有內在的健實性(inherent robustness)，適用於線性與非線性系統。其控制律不須建立精確的結構數學模型，僅依據工程經驗設定控制法則，即可進行控制，非常適合應用於複雜的土木結構控制系統。由於模糊控制法則為工程經驗的定性描述，不須建立系統的數學模型，可減少系統分析和數學模型推導所造成的失真，同時控制過程不須複雜的運算，可降低時間延遲對於控制效果的影響。此外，模糊控制法則具有簡單易懂易修改的特性，於實際應用上更可依據真實控制狀況適時地進行修正調整，接近專家系統，可結合專家之經驗達到控制效果，Benchmark研究計畫的結果即為理想的Knowledge Base。是一種非常簡便有效的控制方法。 本研究將研究以模糊控制減低高速鐵路橋震動問題，並和傳統主動控制法做比較。本研究將設計主動控制器，的主要目的在找適當控制力以減低結構的反應：加速度(Acceleration)，速度(Velocity)，及位移(Displacement)。它所受到的局限包括控制力的大小(受限於制動器Actuator的特性及所需之能量)及量測位置的數目。以模糊控制處理不確定的輸入值(uncertainties of input data)，以語言邏輯來處理複雜的數字模型。需專家系統(Knowledge Base)，由於本計畫有Benchmark參照，且根據經驗，任何振動波均可以反相位振動波抵銷，故應可有效設計模糊控制器。模糊控制包含下列步驟： 1. 模糊化之介面：控制器將從感應器量測所得之輸入信號模糊化成語言形式。 2. 使用專家系統(Knowledge Base)，包括IF-THEN規則及隸屬函數(Membership function)。 3. 每一規則得出模糊輸出。 4. 解模糊化界面→提供一清楚(Crisp)的輸出控制信號 糊控制器將以SIMULINK(1994)程式及MATLAB(1994)程式所提供之函數來執行。
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現今大地工程中，性能設計法的應用與日漸增，其相關研究益趨頻繁。目前大地工程性能設計規範以歐盟Eurocode和日本Geo-Code21為代表。本研究擬藉採以性能設計法中的可靠度分析法 (Reliability analysis) 探討樁基礎的耐震性能特性，本研究的分析工具為一維波動方程(EQWEAP)，該分析係結合集中質塊法、孔隙水壓模式及波動方程式方法等研發而成，具簡易快速特性。本研究在地震考量上，係根據中央氣象局定義之地震震度分級表，選擇震度四級(中震)至震度七級(劇震)之地震震度作為一選取範圍，另根據台灣地震危害度曲線顯示，台北地區之回歸週期1年與2500年地震的地表最大加速度分別為0.03g與0.51g，將上述加速度值設定為最大與最小地震值，並搭配有限差分法計算不同地震於同一設計年限下之發生機率，而地盤的參數設定上為求研究簡化，皆採以標準常態分佈進行設計。除地盤的非線性行為外，基樁的非線性行為亦屬重要，本研究係以LPILE程式推算基樁彎矩容量，界定性能狀態標準，以討論不同耐震性能目標下樁身最大位移和彎矩影響，並將其結果與PBEE分析作一比較。研究以台北新莊地區快速道路橋梁樁基礎 (樁徑為2m) 為例，透過蒙地卡羅法與一階可靠度分別求取數值模型於不同耐震性能等級下之可靠度指數，研究發現：蒙地卡羅的可靠度指數範圍為(2.0~6.0)略大於一階可靠度的可靠度指數範圍(2.0~4.8)，但兩種分析結果的整體趨勢皆顯示該橋梁樁基設計能滿足建築耐震設計要求，耐震性能II和耐震性能III下均滿足韌性容量和不斷樁之要求，唯獨於耐震性能I下，其可靠度指數小於目標可靠度指數。此現象與PBEE分析結果相似。本研究亦根據研究結果制定在不同地震震度發生時，其橋梁樁基礎應滿足之耐震性能。
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台灣位於環太平洋地震帶，因而常常發生地震。由歷年來許多震害中，可發現不規則性建築結構的破壞程度遠超過規則性建築結構，尤其在建築物底層之層高加大等立面勁度不規則建築結構的震害特別嚴重。然而隨著經濟蓬勃發展，都市建築美觀的需求不斷升高，立面不規則建築結構的出現已無法完全避免。強震來襲時，立面不規則建築結構能否屹立不倒，便成為一項值得探討的研究課題。本文旨在探討立面規則與立面勁度不規則鋼筋混凝土建築結構之耐震能力。 本文以6樓中低層規則建築結構與具代表性之立面勁度不規則建築結構為例，先以ETABS軟體，採用擬靜力法進行結構耐震分析及配筋設計，再以ETABS軟體，利用側推分析法進行耐震能力評估，並分析比較採用不同偏心量、不同豎向地震力分佈、不同梁斷面尺寸、不同柱斷面尺寸對規則建築結構之影響，及不同豎向地震力分佈對立面勁度不規則建築結構耐震能力之影響，藉以瞭解不同影響因子對此類建築結構耐震能力之影響，以及一般耐震能力評估模式在評估此類建築結構耐震能力之適用性。本文之研究成果可供工程實務界及學術界參酌引用。
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在傳統鋼筋混凝土結構設計中，結構尺寸與造型配置等變數一般都是利用以往經驗來設定初始值，例如梁柱長度與斷面型式、尺寸等等，事實上，這些變數之間都是相關的。工程師因設計時間過於倉促，最終設計成果往往未能有效率地使各個變數間發揮其最佳效能。而結構最佳化設計問題屬於具有限制條件、非線性以及離散變數的最佳化問題，傳統最佳化設計方法例如梯度法或線性規畫等方法並不適用於求解此類問題。 類神經網路法有別於以往傳統方法，是一種平行分散式處理計算模式。其基本的運作原理乃以大量、簡單的處理單元，或稱神經細胞互相連接，藉由整體處理單元對外界輸入訊號的簡單運算來處理資訊，擁有類似於人腦的許多特性及優點。 本研究主要目的在於將類神經網路法配合交叉驗證法與訓練測試法運用於鋼筋混凝土梁構件、柱構件、梁柱構架等結構成本最少化之最佳化設計，本文亦進一步綜合建立鋼筋混凝土建築結構成本最少化之最佳化設計模式。利用本文之研究成果，可使傳統僅滿足耐震需求的鋼筋混凝土建築結構，進一步達到成本最少化之最佳化設計。
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由以往的地震災害顯示，強震來襲時，結構發生嚴重損壞者大多為平面或立面不規則建築結構，主要原因在於這類建築結構於地震時常發生扭轉變形及應力集中現象。但隨著經濟不斷蓬勃發展，建築結構中不可避免會出現平面不規則性。台灣又位處環太平洋地震帶，這類平面不規則建築結構的耐震能力是否足以抵抗強震來襲，便成為一項十分值得探討的研究課題。 本論文針對平面不規則鋼筋混凝土建築結構，以凹角性及質量兩種六樓建築結構為例，先進行結構分析及配筋設計，再以側推分析法進行耐震能力評估，並分析比較不同偏心量、不同豎向力、不同梁斷面尺寸和不同柱斷面尺寸對平面不規則建築結構耐震能力之影響，藉以瞭解不同影響因子對此類建築結構耐震能力之影響，以及一般耐震能力評估模式在評估此類建築結構耐震能力之適用性。 研究結果顯示，不同偏心量及不同豎向力分佈對建築結構耐震能力分析結果會有不同程度之影響，耐震能力分析時宜慎選；另外，梁與柱斷面尺寸增加均可增加建築結構之耐震能力，但梁斷面尺寸增加會使建築結構之韌性容量減少，柱斷面尺寸增加則會增加建築結構之韌性容量。本論文之研究成果可供工程實務界及學術界參酌引用。
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一般而言，橋梁氣動力效應以顫振及抖振最為顯著，也最受到關注。傳統上對於顫振及抖振分析，因實驗技術不易絕大多數僅考量垂直向與扭轉向顫振導數，忽略順風向顫振導數作用之影響。但隨著長跨徑橋梁的出現，忽略順風向顫振導數影響的思維，對於實際存在的氣動力行為可能已經不再保守。此類長跨徑橋梁通常採用輕質材料及纜索支撐系統，側向運動將會比短跨徑橋梁更為顯著，也可能產生順風向與扭轉向之耦合振態。 本文採用斜張橋、懸索橋、吊索拱橋三類纜索支撐橋梁例題，配合文獻中之顫振導數進行顫振與抖振分析。此外，在多振態分析中，針對不同振態組合、耦合振態的參與，以及順風向振態、順風向顫振導數的參與等情況下，探討各情況對例題橋梁之臨界顫振風速及抖振位移反應的影響。分析結果顯示，順風向與扭轉向耦合振態以及順風向顫振導數對橋梁氣動力的影響隨跨徑增長而增加，因此分析時須予以考慮。此外，本文所採用之兩類橋面板斷面，其順風向顫振導數 具有提高氣動力穩定性之效果，而 則具有降低氣動力穩定性之效果。
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作用於高層建築物之風荷載，主要受順風向、橫風向與扭轉向3種不同方向之風力影響。現今國內風力規範除順風向風力可依循準穩定定理與條狀定理進行合理計算，橫風向及扭轉向風力則尚須受限於使用條件之幾何形狀，依照經驗公式及圖表進行最簡化之計算，因此無法完全描述風力的複雜多樣性。 本文以國內現行規範定義之地況A、B、C作為逼近流場，並選取斷面深寬比為1/5、1/4、1/3、1/2.5、1/2、2/3、1/1、3/2、2/1、2.5/1、3/1、4/1、5/1，高寬比為3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7之矩柱模型，進行量測建築物表面風壓之風洞實驗，從中探討作用於建築物各方向風力特性與其空間相關性。 透過風壓實驗獲得設計風荷載所需之參數，於文章最後實行數值分析計算10棟不同幾何形狀建築物之設計風載重，其建物斷面深寬比為1/5、1/3、1/1、3/1、5/1，高寬比為3、6，流場則依台灣現行規範定義之3種地況特性進行模擬。估算風荷載之模式經由淡江大學風工程研究中心多年之研究成果，選用其分析公式撰寫程式做風力載重的運算，評估結果分別與風洞實驗歷時風力資料之結構分析結果及台灣風力規範計算結果做比較。結果顯示，本文分析程式預測結果尚可反應出風洞實驗動力歷時結構分析，因此程式計算之風載重應能有效顯示建築物的實際受力，但分析程式與國內現行風力規範之設計風載重有相當不同之差異，尤其規範在地況A幾乎過於保守，而地況B、C甚至出現過於低估的情況，因此本文計算程式應可較風力規範準確。
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近幾年來因政府政策，松山機場已從國內機場轉變為國際機場，旅客運量與航機起降次數皆逐年增加，導致松山機場空域接近飽和，空域安全性受到影響，松山機場未來要朝向首都商務機場發展，勢必需要重新檢視其機場空域安全性。本研究回顧FAA、ICAO與松山機場之空域規範，利用面積與體積計算松山機場提供之安全空間，完成機場實務專家訪談，並探討松山機場存廢之議題，主要發現如下： 1.本研究針對障礙物面計算松山機場之安全空間，發現松山機場水平面規範提供之安全體積為FAA規範近十倍之多，管制較嚴，不利機場周圍土地利用；松山機場障礙物面之圓錐面則未設置，管制較鬆。專家訪談中得知，即使能夠依靠更先進導航設備放寬障礙物面規範，終究還是可能影響飛航安全，因此不建議放寬松山機場障礙物面規範。 2.目前松山機場跑道長度與鋪面結構強度無法負荷更大型航機之起降，若未來引進更大型航機，則須加長跑道長度與加強鋪面結構。松山機場因地理位置受限，腹地小，若要加長跑道長度較為困難，目前松山機場較適合發展短程航線。 3.松山機場與桃園機場皆為國際機場，但兩機場距離甚近，目前管制高度能提供航機安全飛航，但若天候不佳與隔離高度不足時，兩機場起降航機可能使發生航線交錯之機率增加，危害飛航安全。若關閉松山機場，則可降低兩機場可能發生航線交錯之機率，並增加桃園機場可使用之空域，讓航機飛航更為安全。
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在過去十年中，台灣以完成建造或正在施工的長跨徑人行橋梁不斷地增加。這類型的橋梁不僅僅只是為了滿足了交通運輸上的需求，還需要額外提供了娛樂、觀光以及美化環境上的功能，因此建築美學設計就成為了一項重要的環節，而斜張橋與吊索拱橋剛好滿足了這類型的需求。這篇論文的目的在於研究這些行人橋的氣動力行為反應。 在人行斜張橋方面以數值分析結構的動力特性，動力特性包含：自然頻率、模態振形。以跨徑與橋塔類型作為區分，在跨徑長度上選用100公尺到200公尺之間。而橋塔類型則選用三種不同的橋塔：單柱、A型、H型橋塔，探討動力特性上的關係，再進行數值分析顫振臨界風速和抖振反應。本文以兩種不同的橋面版進行模擬分析。 吊索拱橋方面則主要探討拱圈與主梁的相互影響，以相同主梁搭配不同大小拱圈以及單索面和雙索面進行動力分析，探討兩者之間的頻率、振態耦合的情形。 結果顯示，對於斜張橋，跨長和橋面版的寬深比對氣動力行為的影響相當明顯。而橋塔類型的影響是可以忽略不計。對於拱橋，拱和橋面之間的彎曲剛性的比例對氣動力行為是不可忽視的因素。