TRIZ理論在空間紐帶式異形鋼拱橋拱肋施工中的應用

李勇波　譚健　易衛平

摘 要：隨著經濟發展與橋梁建造水平的提高，城市景觀橋的功能、結構、空間和美學需求也有了進一步提升，造型各異的景觀橋梁層出不窮，驅動著橋梁施工工藝不斷創新，并促進了創新方法在建造領域的應用。通過在空間紐帶式異形鋼拱橋拱肋施工中應用TRIZ理論，成功解決了施工中的難題，產生了良好的社會與經濟效益，為創新方法在其他工程施工中的應用提供了示范。

關鍵詞：異形鋼拱橋；拱肋施工；TRIZ；創新方法

中圖分類號：TU997文獻標識碼：A Doi：10.3969/j.issn.1672-2272.202306089

Application of TRIZ Theory in the Construction of Arch Ribs of Space Bonded Special-shaped Steel Arch Bridges

Li Yongbo，Tan Jian，Yi Weiping

（The 7th Engineering Co.， Ltd， China Railway Major Bridge Engineering Group， Wuhan 430056， China）

Abstract：With the development of economy and the improvement of bridge construction level， the function， structure， space and aesthetic needs of urban landscape bridge have been further improved. Landscape Bridges with different shapes emerge in endlessly， which drives the continuous innovation of bridge construction technology， and the application of innovative methods in the construction field is gradually deepened. Through the application of TRIZ theory in the construction of space shaped steel arch bridge arch rib， the construction problem is solved， and good social and economic benefits are generated， which provides a demonstration for the application of innovative methods in other engineering construction.

Key Words：Shaped Steel Arch Bridge；Arch Rib Construction；TRIZ；Innovative Approaches

0 引言

大運路瀟河大橋主橋采用了斜跨空間紐帶拱橋體系，縱向立面上通過中間大拱斜跨、兩側小拱向外伸展變化的組合，運用空間扭面拱腳構造，將斜跨大拱和外傾小拱的力進行轉化，由連接橫梁及主梁一起承擔。結構形式新穎、造型變化獨特、結構受力體系復雜、施工難度大。

TRIZ理論相關研究始于1946年，以G．S．Altshuller 為首的前蘇聯的研究團隊分析了數萬項專利，綜合多學科知識，提出創新問題的一系列可遵循的原理和法則[1]。G．S．Altshuller 通過對上百萬件發明專利的分析研究，抽出了40個發明創造所遵循的原理，成為 TRIZ 解決技術矛盾的關鍵[2]。通過在鋼拱肋的制造、加工、焊接、拼裝和吊裝過程中應用創新方法，特別是TRIZ理論的發明原理，有效解決了施工過程難題。

1 工程概況

大運路瀟河大橋主橋采用空間紐帶式異形鋼拱橋（圖1），主橋寬46m，結構體系為拱梁固結的系桿拱橋體系，跨徑布置為（65+110+110+65）m。主橋紐帶型拱肋由一片大主拱，兩片外傾副拱及其連接橫梁組成，拱肋采用拋物線拱。主拱由主橋東南側斜向跨越至西北側，并在邊拱拱腳處通過主梁下的拱肋端橫梁與副拱連接，主拱拱肋平面豎直，拱平面與縱橋向夾角為16.22°，跨度為229.12m，拱頂與橋面高差約57.25m。拱軸線主體段為拋物線，在拱平面內矢高為56.5m，跨度為225m。主橋兩主跨分別布置有一片副拱，南側主跨副拱位于橋面西側，北側主跨副拱位于橋面東側，兩片副拱在中拱腳處由主梁下的拱肋中橫梁互相連接，在邊拱腳處由主梁下的拱肋端橫梁與主拱連接。兩片副拱構造一致，關于主橋中心點呈180°斜對稱。副拱拱肋平面外傾，與水平面夾角為65°，跨度為110m，拱頂與橋面高差約30m，拱軸線主體段為拋物線，在拱平面內失高為30m，跨度為94m。

2 拱肋施工難點

2.1 鋼拱安裝難度大

主拱跨度達229.12m，最高吊裝高度為74.18m；副拱跨度達110m，最高吊裝高度為46.77m，同時副拱拱肋平面外傾，外傾角度為25°。大跨度、大高度的超大型構件的安裝施工難度大[3]。

2.2 彎扭構件加工制作難度大

主、副拱彎扭段壁板及中腹板單元為空間扭曲面的線型，造型奇特，且位置特殊，觀感質量要求較高，鋼板厚40mm，加工制作難度大，精度難以控制[3]。

2.3 鋼拱節段吊裝、運輸難度大

鋼拱拱肋采用封閉彎曲、彎扭箱型截面，最大副拱拱腳拱截面尺寸為9.3m×5.4m、最小副拱拱腳截面尺寸為4.0m×3.0m，均超出了當地公路運輸允許尺寸范圍，拱肋彎扭段結構異形、重量大，其中最大節段吊重為165t，施工難度和風險高。

3 創新方法運用及施工流程

3.1 節段單位、板單元劃分

針對鋼拱拱肋整體自重及尺寸較大，難以整體施工作業的問題，運用TRIZ理論的分割原理，根據拱肋內外部結構特點和設計要求對拱肋進行分段單元劃分，在對拱腳彎扭段分段劃分時避開支座節點構造和橫隔板位置，分段位置在相鄰橫隔板中間位置（圖2、圖3、圖4、圖5）。鑒于當地公路運輸尺寸范圍仍小于最小節段單元截面尺寸，再次運用分割原理，將節段單元分割成在公路運輸尺寸限制范圍內的板單元，運輸至現場組焊，并接拼成節段。接拼后的節段尺寸和重量在現場施工機械能力范圍內，長度方向根據吊裝起重能力拆分中若干分段，板寬方向根據油壓機和卷板機進料尺寸限制進行拆分，拆分出的拼板縫與卷板機進料方向正交。

3.2 鋼板下料

通過應用TRIZ理論對資源進行分析，鋼板切割下料采用等離子切割和火焰切割兩種切割工藝，等離子切割主要應用于薄板切割，火焰切割主要應用于厚板切割。運用TRIZ理論的預先作用原理，根據板厚和質量等級對坡口進行預先處理并采用鋼板坡口機一次成型，保證后期焊接質量和連接強度。

3.3 板單位制作

拱腳彎扭段扭曲壁板單元采用壓力機進行彎曲度加工。加工前，通過運用TRIZ理論的預先作用原理和反向原理，制作木質樣箱（圖6），樣箱的外表面與鋼拱壁板的內表面各項形狀參數一致，即鋼拱理論表面。通過剖面選取與展開制作樣箱定制，為保證線形，運用TRIZ理論的預先防范原理增加輔助剖面，保證樣箱結構具有足夠的強度和剛度，防止使用過程中變形。

鋼板點壓完成后，通過運用TRIZ理論的反饋原理，采用木質樣箱進行檢測，主要檢測壁板加工后的形狀參數，將加工好的鋼板吊入實體樣箱上，檢查壁板和樣箱之間密貼程度（圖7），通過“點壓→校核→點壓”的流程，直至樣箱表面與鋼板表面密貼。

3.4 板單元預拼裝

由于拱腳彎扭段板單元扭曲度大，加工精度要求高，運用TRIZ理論的預先作用原理，在廠內對拱腳彎扭段板單元進行裝配焊接前先進行預拼裝（圖8）。首先制作焊接胎架，根據設計圖紙，采用型鋼制作板進行單元預拼、焊接胎架，胎架高度根據板單元的扭曲程度確定，保證板單元焊接過程中的穩定及線形控制。然后進行焊接預拼，在拼裝胎架上安放同一曲面上的所有板單元，檢查拼縫錯邊情況，在拼裝精度調整合格后，通過運用TRIZ理論的未達到或過度的作用原理，焊接勁板，在拼縫處留設嵌補段，以便現場焊接。

3.5 現場節段組拼

板單元運輸至現場的拼裝場地內，通過吊裝設備將板單元組拼成吊裝節段。

彎扭段焊接時，運用TRIZ理論的惰性環境原理，箱體內部焊縫采用CO2氣體保護焊進行焊接，先焊豎向角焊縫，后焊平角焊縫，并采用雙數焊工進行對稱焊接。通過運用TRIZ理論對資源進行分析，根據不同的情況選擇合適的焊接方法，當箱體彎扭程度較大時，箱體組合焊縫采用CO2氣體保護焊進行焊接，焊縫較長時應采用分段退焊法并采用雙數焊工對稱施焊。當箱體彎扭程度較小時，采用自動CO2焊接小車進行焊接，焊縫較長時應采用分段退焊法并采用雙數焊工對稱施焊。當箱體彎扭較為平緩時，采用雙弧雙絲打底焊接，中間和面層采用埋弧焊進行焊接，使焊縫盡量美觀。

節段組拼胎架制作時，運用TRIZ理論的預先防范原理，胎架的結構尺寸根據胎架所承載的荷載進行設計與校核后確定，保證胎架有足夠的剛度，不隨拼裝重量的增加而變形。拱腳彎扭段組拼胎架設置前，應先在地面上劃出底板投影位置線以及橫隔板位置線，根據投影線位置，布置胎架支撐和模板。

分別按順序對節段底板單元、隔板單元、腹板單元、頂板單元進行安裝，完成節段組拼。在節段脫胎前，進行彎扭節段的整體檢測，確保節段加工精度。

3.6 鋼拱支架施工

拱肋拼裝采用分節段原位拼裝，鋼拱肋分段安裝采用格構式臨時支撐，彎扭段及前兩節段的臨時支撐落在鋼箱梁范圍外，其余部位均落在鋼箱梁上。落在鋼箱梁外臨時支撐采用4根鋼管樁，通過轉換平臺轉換為格構式臨時支撐（圖9），落在鋼箱梁范圍內臨時支撐通過轉換梁落在鋼箱梁橫隔板上。靠近墩身附近的鋼管立柱與承臺上預埋的鋼板進行焊接。為保證支座橫向受力均勻，應對鋼橫梁焊接順序及時機與支架落架時機進行控制[4]。鋼管立柱之間設置鋼管作為縱、橫向連接系。落地、梁上組合支架采用整體安拆在地面加工制作成整體，采用700t履帶吊整體吊裝安裝（圖10）。

3.7 鋼拱拱肋節段吊裝

鋼拱拱腳彎扭節段組拼完成后（圖11），采用QUY700吊機進行橋位安裝（圖12）。

由于拱肋空間姿態復雜，每個節段均為空間扭轉角度，各個節段的重心位置均不相同，對安裝精度要求高。運用TRIZ理論的預先作用原理，建立拱肋三維空間模型，找出各個節段拱肋的重心位置，然后通過計算機模擬空間放樣，確定吊點位置、起吊鋼絲繩長度，從而實現拱肋在自重作用下形成與設計傾角一致的傾角。

履帶吊就位后，確定拱肋節段最佳安裝角度及作業半徑，通過采用空間維數變化原理將拱肋節段按照安裝到位時的方向、角度吊離地面，同時完成鋼拱肋節段空間姿態調整 并進行測量較核修正。

采用建立三維模型方式獲取鋼拱安裝的三維坐標數據以及通過測量調整對鋼拱線形進行控制。

3.8 合龍段的量配與焊接

除合龍段外的所有節段吊裝、焊接完成后，測量合龍口的距離。根據測量結果求出跨中合龍段的配切長度，根據監控指令，同時為減少溫度導致熱脹冷縮的不利影響，運用TRIZ理論的減少有害作用時間的原理，在規定的溫度下，用同一把鋼盤尺，依據已確定的配切長度劃線切除合龍段的合龍端頭余量，并修磨焰切邊。場地吊裝合龍后，按照相同的焊接順序同時施焊各接口的環縫，再焊板條肋，通過運用TRIZ理論的拋棄或再生原理，拆除臨時連接件。

3.9 鋼拱合龍段連接

鋼拱合龍段制作完成后，運用TRIZ理論的減少有害作用時間的原理，在特定的時間段進行該段的吊裝、定位與連接（圖13），避免焊縫定位精度和合龍過程受溫度的影響[5]。

3.10 鋼拱支架拆除

鋼拱合龍焊接完成后，即可進行鋼拱支架的拆除（圖14）。鋼拱支架拆除按照先主拱后副拱，由中間向兩邊的順序進行。考慮鋼拱自平衡特性，僅保留拱腳彎扭段支架待吊桿安裝后拆除。

支架拆除前先落架，按照從中間往兩邊的順序進行，落架完成后利用吊車整體拆除。

4 結語

TRIZ理論成功應用于大運路瀟河大橋空間紐帶式異形鋼拱拱肋制造、運輸、安裝等過程中，解決了空間紐帶式異形鋼拱鋼拱安裝難度大、彎扭構件加工制作精度要求高等問題，使大運路瀟河大橋關鍵節點工期和工程質量得到了保證，為其他工程施工提供了借鑒。結果表明，TRIZ理論

在建造領域的推廣應用前景廣闊，對智能建造的高質量發展有良好的推動作用。

參考文獻：

[1]牛占文，徐燕申，林岳，等.發明創造的科學方法論——TRIZ[J].中國機械工程，1999（1）：92-97，7.

［2］ALTSHULLER G S.Creativity as an exact science：the theory of the solution of inventive problems［M］.Anthony Williams.New York：Gordon and Breach Science Publishers，1984．

［3］陳璐嵩，王振坤，張偉，等.太原大運路瀟河大橋鋼拱施工技術[C]//清華大學，東南大學，中國建設科技集團股份有限公司，中國建筑集團有限公司，中國中建設計集團有限公司.北京：第八屆全國鋼結構工程技術交流會論文集.2020：334-338.

［4］王斌.異形拱-梁組合體系橋梁施工技術研究[J].山西建筑，2021，47（3）：145-147.

［5］張敏.大瑞鐵路怒江特大橋鋼桁拱多桿件合龍施工技術研究[J].中國水能及電氣化，2021（11）：14-18.

（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：李勇波（1979-），男，中鐵大橋局第七工程有限公司正高級工程師，研究方向：橋梁工程。