TRIZ方法在橋梁撓度測量方法改進中的應用

方子為　杜君　舒昕

摘 要：依托于橋梁實時在線監測系統的研發，主要解決的技術難點是如何對橋梁撓度進行實時測量，并且架設設備不影響橋梁的結構狀態。為突破這一技術難題，在已有的條件下進行優化創新，首先通過建立技術系統，提出新技術系統的要求及最終理想解，利用TRIZ理論中的創新原理、標準解系統及功能化模型得到4個解決方案；然后根據TRIZ理論的進化法則對得到的解決方案進行定位分析，利用評價模型對所有解決方案進行方案評價，發現其中傾角儀測撓度方案最優；最終實施該方案并應用到實時在線監測系統中，可有效降低運營中長期階段的中修、大修頻率，延長橋梁使用壽命，降低橋梁全生命周期的養護維修成本。

關鍵詞：橋梁撓度；撓度測量；TRIZ理論

中圖分類號：U446 文獻標識碼：A Doi：10.3969/j.issn.1672-2272.202306088

Improvement of Bridge Deflection Measurement Method using TRIZ Method

Fang Ziwei， Du Jun， Shu Xin

（Wuhan Bridge Special Technology Co.，Ltd. of China Railway Major Bridge Engineering Group，

Wuhan 430205， China）

Abstract：This project relies on the research and development of the bridge real-time online monitoring system， based on the difficulties encountered in the system erection process： how to measure the bridge deflection in real time， and erecting equipment will not affect the structural state of the bridge. In order to break through the technical problems， make optimization innovations under the existing conditions， use TRIZ theory to solve the real-time measurement of bridge deflection， and erect equipment will not affect the structural state requirements of the bridge. Through the establishment of the technical system， the requirements of the new technology system and the final ideal solution are put forward， and four solutions are obtained by using the innovation principle， standard solution system and functional model in TRIZ theory. According to the evolution rule of TRIZ theory， the obtained solutions are analyzed， and the evaluation model is used to evaluate all the solutions， and it is found that the inclinometer deflection measurement scheme is the best. Finally， the scheme was implemented and applied to the real-time online monitoring system， which effectively reduced the frequency of intermediate repairs and overhauls in the medium and long-term stages of operation， extended the service life of the bridge， and reduced the repair costs of the bridge's full life cycle.

Key Words：Bridge Deflection；Deflection Measurement；TRIZ Theory

0 引言

橋梁撓度為梁體在受力或非均勻溫度變化時，梁體軸線在垂直于軸線方向的線位移或板殼中面在垂直于中面方向的線位移，橋梁撓度可以直觀地展示橋梁在水平面的形變情況，是橋梁健康狀況的重要評價指標。

現階段測量橋梁梁體撓度的方法過于原始，缺乏簡單、有效且成本低廉的測量方式，主要通過位移法對橋梁撓度進行測量，但由于測量工作繁雜、耗時較長、受環境影響大，不適合對大跨度橋梁尤其是跨河海橋梁進行測量。

橋梁撓度的一般測量方法為先在橋梁下方開辟一片水平地面，在地面上搭設腳手架并固定位移計，通過測量橋梁兩端到中間形變位移最大處豎直方向位移確定撓度。但此種方法測量橋梁梁體撓度的過程復雜，操作繁瑣，測量精度不足。

本文擬利用TRIZ理論中的創新原理、標準解系統及功能化模型，提出新的橋梁撓度測量方案。

1 理論概述

TRIZ理論是由前蘇聯G.S.Altshuler及其團隊成員，自1946年開始，花費1 500人/年的時間，在分析研究世界各國250萬件專利的基礎上所提出的發明問題解決理論[1]。

TRIZ理論由解決技術問題和實現創新開發的各種方法、工具和算法組成，是指導人們進行創新活動的科學方法理論。前蘇聯科學家G.S.Altshuler在對創新方法及專利規整做了大量工作后，得出了3個基本觀點：發明專利雖數目龐大，但有一個共同點，就是應用了數目不多的一般性原理，像社會系統一樣，技術系統可以通過解決矛盾而得到發展。因此，真正的創新是解決矛盾，妥協的解決方案最多只能算優化；技術系統的進化遵循一定的模式和規律。這就是說，技術系統的發展（在一定限度內）是可預測的。阿奇舒勒以這3個基本觀點為出發點，根據辯證法、認識論和系統論的思想，總結出了技術系統進化法則，并在基本原理基礎上構建了求解發明問題的技術、方法和工具體系，創立了TRIZ理論，經過幾十年發展，現已形成TRIZ理論體系。

近幾年TRIZ理論在創新設計中得到廣泛應用：朱輝等[2]應用TRIZ理論將多軸擰緊機進行優化，改進后的擰緊機位置易固定，損壞易維修；陸志猛等[3]利用TRIZ理論優化設計了共振混合機，實現了原材料混合均勻性好，提高了產品質量的穩定性和一致性；梁進偉等[4]應用TRIZ理論，對包裝盒輸送折邊裝置進行優化設計，提出解決空邊問題的辦法。本文將TRIZ理論應用于橋梁撓度測量的方法改進中，并將解決方案應用于實際，取得了較好的效果。

2 理論分析問題

2.1 問題描述與分析

為了更好地了解橋梁撓度測量工作原理，我們分別對項目功能進行解釋：固定功能：安裝固定位移計；校準功能，使位移計安放在同一水平面上；測量功能：對橋梁梁體撓度進行測量。

2.2 改進目標

①測量操作易于實施；②測量精度較好；③測量設備較為經濟。

對于橋梁撓度測量裝置而言，我們期待的理想系統為：測量設備沒有實體，精度良好，不需要人為操作即可完成撓度測量。

2.3 系統分析

2.3.1 組件模型

在建立組件模型之前，首先要確定技術系統，傳統橋梁撓度測量系統如圖1所示，并根據該技術系統的定義，確定該技術系統的作用對象、技術系統組件、超系統組件。而該技術系統功能是測量大跨度橋梁撓度，因此，本技術系統作用對象是撓度待測的橋梁梁體，位移計與支撐裝置。

對本系統進行組件分析，進而分為系統組件子系統組件與超系統組件三大類組件[5]，具體如表1所示。由于位移計有多種工作方式，且測量精度都超過工程需求，因此將位移計視為子系統不展開分析。

逐個分析各組件是否有相互作用，有相互作用用“+”表示，否則用“-”表示，最終得到組件相互作用如表2所示。

采用規范化的功能描述方式建立組件模型，如圖2所示。

通過組件模型分析，以及它們之間的相互關系，得出撓度測量方式的問題：

①門型架的固定效果不足，容易發生水平晃動；②門型架對調節桿的固定效果不足，間接影響測量效果；③位移計測量精度要求可以適當降低。

2.3.2 組件價值分析

組件價值分析是運用價值工程的方法，以阿奇舒勒定義的理想度為衡量標準，通過評估有用作用、有害作用及成本，來確定組件的理想度。從組件模型圖可以看到，技術系統的有害及不足作用主要集中在門型架對以及調節桿的作用。通過對于技術系統的進一步的組件價值分析，定量分析求解出理想度指標，其中成本分配規則為：1～10，1是最便宜，10是最昂貴。該技術系統的組件價值分析結果如表3所示。

因此得到基本裁剪方案如圖3所示：取消調節桿、插銷及其功能，門型架直接支撐與固定可調托座。裁剪后的系統如圖4所示。

進行裁剪后腳手架依然無法得到想要的固定效果，位移計測量功能依然受到影響。因此需要進一步使用TRIZ方法分析問題。

2.4 因果分析

因果鏈分析是全面識別工程系統缺點的分析工具。因果鏈分析從初始問題和缺點開始，分析其影響因素，得出中間缺點，進而繼續挖掘下一層級的影響因素，直到末端缺點。針對橋梁撓度結果誤差大的關鍵問題，對橋梁撓度測量系統進行因果鏈分析，得到因果鏈如圖5所示。通過因果鏈的分析，我們得到了撓度測量的3個問題：①交叉拉桿數量不足；②交叉拉桿強度不足；③可調底座數量不足。

針對這些問題，提出五項因果分析解決方案：因果方案一：增加交叉拉桿的數量；因果方案二：增加交叉拉桿強度；因果方案三：增加可調底座的數量；因果方案四：架設腳手架前先平整地面，使其達到水平；因果方案五：使用剛度更大的材料制作的腳手架。

解決方案一：增加交叉拉桿強度；解決方案二：架設腳手架之前準備更加平整的水平地面。

關鍵缺點：關鍵缺點一：如果增加交叉拉桿數量，那么腳手架穩定性會得到改善，但是腳手架搭設流程會更加復雜；關鍵缺點二：如果增加可調底座數量，那么腳手架穩定性會得到改善，但是腳手架搭設流程會更加復雜。

2.5 資源分析

對系統進行資源分析，結果如表4所示。

2.6 物場分析

對系統進行物場分析，得到物場分析圖，如圖6所示。

3 解決方案

問題匯總如下：

系統初始問題：測量橋梁梁體撓度的過程復雜，操作繁瑣，測量精度不足。功能分析問題：進行裁剪后腳手架依然無法得到想要的固定效果，位移計測量功能依然受到影響。因果分析問題：①如果增加交叉拉桿數量，那么腳手架穩定性會得到改善，但是腳手架搭設流程會更加復雜；②如果增加可調底座數量，那么腳手架穩定性會得到改善，但是腳手架搭設流程會更加復雜。解決因果問題一：如果增加交叉拉桿數量，那么腳手架穩定性會得到改善，但是腳手架搭設流程會更加復雜。

技術矛盾：

如果增加腳手架的交叉拉桿數量，那么腳手架穩定性會得到改善，但是腳手架搭設流程會更加復雜，可以利用TRIZ理論的技術矛盾矩陣來解決[6]。

改善的參數：穩定性。

惡化的參數：操作流程的方便性。

通過查詢矛盾矩陣可得，32、35、30號發明原理可以利用。使用35號原理，改變物理或化學參數。

技術矛盾解決方案一：使用35號發明原理將水準平面改為液體平面，通過測量橋梁梁體到液體平面距離得到梁體撓度，如圖7所示。

解決因果問題2：如果增加可調底座數量，那么腳手架穩定性會得到改善，但是腳手架搭設流程會更加復雜。

技術矛盾：可調底座的搭設數量需要多，因為平臺更穩定。

可調底座的搭設數量需要少，因為搭設成本更低。

提取物理矛盾：底座用量的多與少，解決物理矛盾的核心是實現矛盾雙方的分離。

使用整理與部分分離原理，得知12、28、31、32、35、36、38、39、40號發明原理可以被利用。

使用28號機械系統替代原理，將機械系統（腳手架與位移計）改為電磁場利用光電接收器測得撓度。

物理矛盾解決方案一：使用激光射向橋梁梁體表面的反射板，通過測量光電接收器所收到的激光位移計算得到橋梁撓度變化，如圖8所示。

使用28號機械系統替代原理，將機械系統測量y位移改為測量傾角σ，通過計算測得撓度。

物理矛盾解決方案二：通過測量橋梁已知點位的傾角，利用三角函數計算得到橋梁在該點的位移y，得到橋梁撓度的變化，如圖9所示。

物場模型解決方案一：使用激光測距儀代替機械測距方式，測量橋墩腳手架搭設點到梁體待測點之間距離，通過計算得出梁體下撓值，如圖10所示。

4 方案評價及選擇

4.1 評價標準及評價結果

裁剪方案：取消調節桿、插銷及其功能，門型架直接支撐與固定可調托座；

因果方案一：增加交叉拉桿強度；

因果方案二：架設腳手架之前準備更加平整的水平地面。

技術矛盾解決方案：使用35號發明原理將水準平面改為液體平面，通過測量橋梁梁體到液體平面距離得到梁體撓度。

物理矛盾解決方案一：使用激光射向橋梁梁體表面的反射板，通過測量光電接收器所收到的激光位移計算得到橋梁撓度變化；

物理矛盾解決方案二：通過測量橋梁已知點位的傾角，利用三角函數計算得到橋梁在該點的位移y，得到橋梁撓度的變化；

物場模型解決方案三：使用激光測距儀代替機械測距方式，測量橋墩腳手架搭設點到梁體待測點之間距離，通過計算得出梁體下撓值。

從可行性、成本、準確性、創新性4個維度對各項方案進行列表評估，得出評估結果如表5所示，方案三得分最高。因此，最終選擇方案三進行實施，并運用到橋梁實時在線監測系統中。

5 結語

該方法成功應用于達陜高速公路廠溪河特大橋、襄陽市漢江三座橋梁、十堰市鄖縣漢江大橋。通過傳感器全天候自動持續監測橋梁關鍵部位的撓度、溫度、位移、動態特性等參數，實時預警，有效降低了運營中長期階段的中修、大修頻率，延長橋梁使用壽命，降低橋梁全生命周期的養護維修成本。

參考文獻：

[1]陳光.創新思維與方法：TRIZ的理論與應用[J]．北京：科學出版社，2011.

［2］朱輝，李培林，王崴，等.基于TRIZ理論的多軸擰緊機結構優化設計[J].機械設計，2015，32（12）：26-29.

［3］陸志猛，溫常琰，孫濤，等.基于TRIZ理論的共振混合機優化設計[J].科技創業月刊，2020（2）：74-78.

［4］梁進偉，鄧援超，劉瑩穎，等.TRIZ理論在包裝盒輸送折邊裝置優化設計中的應用[J].科技創業月刊，2020（4）：144-149.

［5］宋博學.廢舊機床再制造質量設計方法研究[D]．沈陽：沈陽工業大學，2017.

［6］檀潤華.TRIZ及應用技術創新過程與方法[M].北京：高等教育出版社，2010.

（責任編輯：張雙鈺）

基金項目：湖北省創新方法推廣應用基地服務能力建設項目（2020IM020800）

作者簡介：方子為（1994-），男，中鐵大橋局武漢橋梁特種技術有限公司助理工程師，研究方向：橋梁智慧管養;杜君（1990-），男，中鐵大橋局武漢橋梁特種技術有限公司工程師，研究方向：橋梁智慧管養;舒昕（1986-），男，中鐵大橋局武漢橋梁特種技術有限公司高級工程師，研究方向：橋梁智慧管養。