TRIZ理論在懸索橋索夾螺桿軸力檢測及補張拉問題中的應用

楊燦　李曉行　杜君

摘 要：針對目前懸索橋索夾螺桿因車輛等荷載引起索夾松動、滑移問題，利用發明問題解決理論（TRIZ），提出一種懸索橋索夾螺桿軸力檢測及補張拉創新設計方法。首先，通過TRIZ理論建立技術系統；然后，對技術系統進行因果分析、資源分析，找到解決問題的入手點；最后，利用TRIZ理論中的創新原理、標準解系統及功能化模型得到3個解決方案。有效地解決了懸索橋索夾螺桿軸力檢測及補張拉問題這一行業技術困難。

關鍵詞：TRIZ理論；懸索橋；索夾螺桿；軸力檢測；檢修小車

中圖分類號：U447 文獻標識碼：A Doi：10.3969/j.issn.1672-2272.202306086

Application of TRIZ Theory in Axial Force Detection of Cable Clamp Screw and Supplementary Tensioning of Suspension Bridge

Yang Can， Li Xiaoxing， Du Jun

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

Wuhan 430205， China）

Abstract：Aiming at the problem of looseness and slippage of cable clamp screw of Suspension bridge caused by vehicle and other loads， an innovative design method for axial force detection and supplementary tensioning of cable clamp screw of Suspension bridge is proposed by using the Invention Problem Solving Theory （TRIZ）. Firstly， establish a technical system through TRIZ theory; Then， conduct causal analysis and resource analysis on the technical system to find the starting point for solving the problem; Finally， three solutions were obtained using the innovative principles， standard solution systems， and functional models in TRIZ theory. It has solved the technical difficulties in the industry of axial force detection and supplementary tensioning of cable clamp screw of Suspension bridge.

Key Words：TRIZ Theory; Suspension Bridge; Cable Clamp Screw; Axial Force Detection; Inspection Trolley

0 引言

近年來，由于自然環境和交通量日益增長等綜合因素影響，我國大量橋梁面臨著巨大的交通負荷承載壓力。懸索橋索夾螺桿緊固力會因車輛等荷載引起的纜索體系受力及線形變化等原因持續下降，最終將導致索夾松動甚至滑移。因此，應當在懸索橋通車運營2～3年后進行索夾螺桿拉力檢查，當索夾螺桿拉力降低大于20%～30%時，應進行緊固補張，以保障懸索橋的結構受力安全。因此，探索懸索橋索夾螺桿軸力檢測及補張拉方法則成為十分重要的課題。

1 TRIZ理論

TRIZ理論是由前蘇聯專利研究人員，在研究、歸納兩百多萬件世界各國專利的基礎上，提出的一種適用于發明問題的解決理論。TRIZ理論是由解決技術問題以及實現創新的各種算法和方法構成的綜合理論體系[1]，主要包括技術進化理論、最終理想解、40個發明原理、矛盾矩陣、物理矛盾和四大分離原理、物-場模型分析和76個標準解[2]、發明問題解決算法（ARIZ）以及科學和技術知識效應庫等一系列原理、方法和工具。

2 項目分析

2.1 問題確定及分析

由于武漢鸚鵡洲長江大橋和江漢六橋（古田橋）索夾螺桿軸力檢測及補張是在懸空的主纜上施工，因此作業受到無作業平臺、單頂張拉容易造成后張拉螺桿影響的限制。故在懸索橋索夾螺桿軸力檢測及補張拉施工中存在如下問題：

①索夾螺桿緊固力在進入運營期后，因車輛等荷載引起的纜索體系受力及線形變化；

②主纜內鍍鋅鋼絲受壓蠕變或重新排列等原因持續下降；

③索夾松動甚至滑移；

④索夾檢測及補張無作業平臺。

2.2 項目改進目標

常規解決方案：傳統的索夾螺桿單頂張拉，在索夾螺桿較多情況下，后張拉螺桿很容易影響前面已張拉完成的螺桿，造成前面張拉完成螺桿軸力損失，后又需要反復對其進行補張，施工及其不便。理想改進目標：可實現索夾螺桿高效、高精度檢測及補張，在檢測及施工過程中，可以配合多臺設備同時使用，實現多點作業，并在保證檢測精度及不破壞既有結構的情況下進行索夾螺桿軸力檢測施工。

3 組件及功能分析

3.1 組件分析

根據TRIZ理論技術系統的定義，確定懸索橋系統的作用對象、技術系統組件、超系統組件。而該技術系統功能是首先檢測懸索橋索夾螺桿軸力，對軸力不合理的螺桿進行補張，使之達到合理的受力狀態。因此，本技術系統作用對象是懸索橋索夾螺桿，技術系統組件為懸索橋的各個部分，包括主纜、橋塔、吊桿、橋面板等。基于以上建立的組件，進行組件之間的作用分析，采用規范化的功能描述方式建立組件模型，如圖1所示。

3.2 價值組件分析

根據TRIZ理論中的阿奇舒勒定義理想度為衡量標準，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鋼桁梁運輸、提升吊裝和安裝對接、位置調整過程中梁體重量的處理。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。可以發現其中檢修小車及檢修器械最低成本為1，橋梁主體為9，因此技術系統中檢修小車及檢修器械是價值最低組件，可以將檢修小車及檢修器械作為裁剪的對象。懸索橋系統的裁剪分析如圖2所示。

如果將檢修小車及檢修器械進行完全裁剪，則檢修人員就需要直接在主纜上進行施工，安全問題就格外突出，需要找到新的裁剪方案，即根據檢修平臺搭建的難易程度對輔助施工的器械進行合理裁剪。

4 解決方案

針對如何解決懸索橋索夾螺桿軸力檢測及補張拉的問題，一方面需要保證在主纜上搭建足夠的空間，另一方面搭建檢修平臺的體量不宜過大，否則會影響搭建的工作量以及后續的移動問題。因此該系統改善的參數為控制復雜度，惡化的參數為運動物體的重量，通過查詢矛盾矩陣表格得到可參考的發明原理如下：①復制原理；②機械系統的代替；③氣動與液壓結構原理；④變色改變原理。

根據機械系統的代替原理得到懸索橋檢修小車搭建方案：利用主纜扶手鋼絲繩作為軌道，可在主纜上自由行走，車架上鉸接有位于車架左右兩側吊籃，吊籃自由下垂并使主纜位于兩側吊籃的中部，施工操作人員在兩側吊籃內進行作業，不僅不會對主纜防護涂層進行破壞，而且吊籃具有下掛載人空間，作業安全系數高，有效地解決了懸索橋主纜、索夾檢測及維修無操作平臺的情況，且安拆方便，根據懸索橋主纜尺寸稍作調整，就能適用于不同的橋梁，降低了施工成本，如圖3所示。

①懸索橋主纜；②主纜扶手繩，作為檢修小車的行走軌道；③小車滾輪，采用尼龍棒材料加工；④小車橫梁，固定滾輪；⑤小車車架，滾輪與吊籃連接裝置；⑥驅動電機；⑦吊籃，提供施工操作平臺；⑧防護棚布，起安全防護、遮陽等作用。

根據氣動與液壓結構原理得到懸索橋索夾螺桿軸力檢測技術：索夾螺桿軸力檢測技術含量及難度要求高，為保證檢測質量，往往需要較長的時間，在保證檢測精度及不破壞既有結構的情況下采用液壓拔出法進行索夾螺桿軸力檢測施工，方法簡單可靠，可通過不同的分級張拉控制其誤差能夠滿足各種精度要求。

根據機械系統的代替原則得到懸索橋索夾螺桿同步補張技術：懸索橋索夾螺桿同步補張技術。傳統的索夾螺桿單頂張拉，在索夾螺桿較多情況下，后張拉螺桿很容易影響前面已張拉完成的螺桿，造成前面張拉完成螺桿軸力損失，后又需要反復對其進行補張，施工極其不便，為解決這一難題，本項目采用索夾同步張拉技術，保證了索夾螺桿補張的精度及便捷度。

5 結論

通過TRIZ理論建立技術系統、對技術系統[3]進行因果分析、資源分析，找到解決問題的入手點，并利用TRIZ理論中的創新原理、標準解系統及功能化模型得到3個解決方案[4]。

5.1 懸索橋主纜檢修小車

檢修小車利用主纜扶手鋼絲繩作為軌道，車架滾輪安全在扶手鋼絲繩上，車架上安裝驅動電機（卷揚機），驅動電機能夠牽引車架滾輪在扶手鋼絲繩自動式行走，車架上鉸接有位于車架左右兩側吊籃，吊籃自由下垂并使主纜位于兩側吊籃的中部，施工操作人員在兩側吊籃內進行作業，不僅不會對主纜防護涂層進行破壞，而且吊籃具有下掛載人空間，作業安全系數高。

5.2 懸索橋索夾螺桿軸力檢測技術

液壓拔出法施工前先對液壓千斤頂進行標定，標定后的油壓與拉伸器的拉拔力存在線性關系，通過特別設計螺栓拉拔器分級張拉來測量螺母拉松時刻的油壓，以實現索夾螺栓預緊力的檢測。

5.3 懸索橋索夾螺桿同步補張技術

采用液壓螺栓拉拔器，根據橋梁單個索夾的螺栓最多數量準備，選擇合適型號的液壓泵站作為動力單元，給所需要張拉所有的索夾螺桿套上動力單元，然后控制液壓螺栓拉拔器同步張拉到設計值后，以對稱方式對全部索夾螺栓用自制扳手將螺母擰緊。

根據TRIZ理論的進化法則[5]對得到的解決方案[6]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，最終選擇將方案①到方案③分別運用到懸索橋索夾螺桿軸力檢測及補張拉的不同施工階段中了，解決了索夾螺桿高效、高精度檢測及補張的難題，實現了檢測及施工過程中多臺設備同時多點作業，提高了施工效率并減少了勞動人員的需求。但在實踐過程中后張拉螺桿容易影響前面已張拉完成的螺桿，造成前面張拉完成螺桿軸力損失，需要在后續工作中對此問題進行更深入研究。

參考文獻：

[1]趙新軍.技術創新理論（TRIZ）及應用[M].北京：化學工業出版社，2004.

［2］張武城.技術創新方法概論[M].北京：科學出版社，2009.

［3］楊廷雙.TRIZ理論入門導讀[M].哈爾濱：黑龍江科學技術出版社，2007.

［4］侯圣智，牛占文.TRIZ理論與創新能力的培養[J].中國職業技術教育，2003（29）：30-32.

［5］檀潤華.創新設計——TRIZ：發明問題解決理論[M].北京：機械工業出版社，2002.

［6］楊青亮.發明是這樣誕生的——TRIZ理論全接觸[M].北京：機械工業出版社，2006.

（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：楊燦（1995-），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；李曉行（1994-），女，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；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。