楊燦　李曉行　杜君

摘 要：針對(duì)目前懸索橋索夾螺桿因車(chē)輛等荷載引起索夾松動(dòng)、滑移問(wèn)題，利用發(fā)明問(wèn)題解決理論（TRIZ），提出一種懸索橋索夾螺桿軸力檢測(cè)及補(bǔ)張拉創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。首先，通過(guò)TRIZ理論建立技術(shù)系統(tǒng)；然后，對(duì)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行因果分析、資源分析，找到解決問(wèn)題的入手點(diǎn)；最后，利用TRIZ理論中的創(chuàng)新原理、標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)及功能化模型得到3個(gè)解決方案。有效地解決了懸索橋索夾螺桿軸力檢測(cè)及補(bǔ)張拉問(wèn)題這一行業(yè)技術(shù)困難。

關(guān)鍵詞：TRIZ理論；懸索橋；索夾螺桿；軸力檢測(cè)；檢修小車(chē)

中圖分類(lèi)號(hào)：U447 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(lái)，由于自然環(huán)境和交通量日益增長(zhǎng)等綜合因素影響，我國(guó)大量橋梁面臨著巨大的交通負(fù)荷承載壓力。懸索橋索夾螺桿緊固力會(huì)因車(chē)輛等荷載引起的纜索體系受力及線形變化等原因持續(xù)下降，最終將導(dǎo)致索夾松動(dòng)甚至滑移。因此，應(yīng)當(dāng)在懸索橋通車(chē)運(yùn)營(yíng)2～3年后進(jìn)行索夾螺桿拉力檢查，當(dāng)索夾螺桿拉力降低大于20%～30%時(shí)，應(yīng)進(jìn)行緊固補(bǔ)張，以保障懸索橋的結(jié)構(gòu)受力安全。因此，探索懸索橋索夾螺桿軸力檢測(cè)及補(bǔ)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(lián)專(zhuān)利研究人員，在研究、歸納兩百多萬(wàn)件世界各國(guó)專(zhuān)利的基礎(chǔ)上，提出的一種適用于發(fā)明問(wèn)題的解決理論。TRIZ理論是由解決技術(shù)問(wèn)題以及實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的各種算法和方法構(gòu)成的綜合理論體系[1]，主要包括技術(shù)進(jìn)化理論、最終理想解、40個(gè)發(fā)明原理、矛盾矩陣、物理矛盾和四大分離原理、物-場(chǎng)模型分析和76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解[2]、發(fā)明問(wèn)題解決算法（ARIZ）以及科學(xué)和技術(shù)知識(shí)效應(yīng)庫(kù)等一系列原理、方法和工具。

2 項(xiàng)目分析

2.1 問(wèn)題確定及分析

由于武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋和江漢六橋（古田橋）索夾螺桿軸力檢測(cè)及補(bǔ)張是在懸空的主纜上施工，因此作業(yè)受到無(wú)作業(yè)平臺(tái)、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(cè)及補(bǔ)張拉施工中存在如下問(wèn)題：

①索夾螺桿緊固力在進(jìn)入運(yùn)營(yíng)期后，因車(chē)輛等荷載引起的纜索體系受力及線形變化；

②主纜內(nèi)鍍鋅鋼絲受壓蠕變或重新排列等原因持續(xù)下降；

③索夾松動(dòng)甚至滑移；

④索夾檢測(cè)及補(bǔ)張無(wú)作業(yè)平臺(tái)。

2.2 項(xiàng)目改進(jìn)目標(biāo)

常規(guī)解決方案：傳統(tǒng)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(fù)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)張，施工及其不便。理想改進(jìn)目標(biāo)：可實(shí)現(xiàn)索夾螺桿高效、高精度檢測(cè)及補(bǔ)張，在檢測(cè)及施工過(guò)程中，可以配合多臺(tái)設(shè)備同時(shí)使用，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)作業(yè)，并在保證檢測(cè)精度及不破壞既有結(jié)構(gòu)的情況下進(jìn)行索夾螺桿軸力檢測(cè)施工。

3 組件及功能分析

3.1 組件分析

根據(jù)TRIZ理論技術(shù)系統(tǒng)的定義，確定懸索橋系統(tǒng)的作用對(duì)象、技術(shù)系統(tǒng)組件、超系統(tǒng)組件。而該技術(shù)系統(tǒng)功能是首先檢測(cè)懸索橋索夾螺桿軸力，對(duì)軸力不合理的螺桿進(jìn)行補(bǔ)張，使之達(dá)到合理的受力狀態(tài)。因此，本技術(shù)系統(tǒng)作用對(duì)象是懸索橋索夾螺桿，技術(shù)系統(tǒng)組件為懸索橋的各個(gè)部分，包括主纜、橋塔、吊桿、橋面板等?；谝陨辖⒌慕M件，進(jìn)行組件之間的作用分析，采用規(guī)范化的功能描述方式建立組件模型，如圖1所示。

3.2 價(jià)值組件分析

根據(jù)TRIZ理論中的阿奇舒勒定義理想度為衡量標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)評(píng)估有用作用、有害作用及成本，來(lái)確定組件的理想度。從組件模型圖可以看到，技術(shù)系統(tǒng)的有害及不足作用主要集中在鋼桁梁運(yùn)輸、提升吊裝和安裝對(duì)接、位置調(diào)整過(guò)程中梁體重量的處理。通過(guò)對(duì)于技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)一步的組件價(jià)值分析，定量分析求解出理想度指標(biāo)，其中成本分配規(guī)則為：1～10 ，1是最便宜，10是最昂貴?？梢园l(fā)現(xiàn)其中檢修小車(chē)及檢修器械最低成本為1，橋梁主體為9，因此技術(shù)系統(tǒng)中檢修小車(chē)及檢修器械是價(jià)值最低組件，可以將檢修小車(chē)及檢修器械作為裁剪的對(duì)象。懸索橋系統(tǒng)的裁剪分析如圖2所示。

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

4 解決方案

針對(duì)如何解決懸索橋索夾螺桿軸力檢測(cè)及補(bǔ)張拉的問(wèn)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(tái)的體量不宜過(guò)大，否則會(huì)影響搭建的工作量以及后續(xù)的移動(dòng)問(wèn)題。因此該系統(tǒng)改善的參數(shù)為控制復(fù)雜度，惡化的參數(shù)為運(yùn)動(dòng)物體的重量，通過(guò)查詢(xún)矛盾矩陣表格得到可參考的發(fā)明原理如下：①?gòu)?fù)制原理；②機(jī)械系統(tǒng)的代替；③氣動(dòng)與液壓結(jié)構(gòu)原理；④變色改變?cè)怼?/p>

根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的代替原理得到懸索橋檢修小車(chē)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(chē)架上鉸接有位于車(chē)架左右兩側(cè)吊籃，吊籃自由下垂并使主纜位于兩側(cè)吊籃的中部，施工操作人員在兩側(cè)吊籃內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，不僅不會(huì)對(duì)主纜防護(hù)涂層進(jìn)行破壞，而且吊籃具有下掛載人空間，作業(yè)安全系數(shù)高，有效地解決了懸索橋主纜、索夾檢測(cè)及維修無(wú)操作平臺(tái)的情況，且安拆方便，根據(jù)懸索橋主纜尺寸稍作調(diào)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(chē)的行走軌道；③小車(chē)滾輪，采用尼龍棒材料加工；④小車(chē)橫梁，固定滾輪；⑤小車(chē)車(chē)架，滾輪與吊籃連接裝置；⑥驅(qū)動(dòng)電機(jī)；⑦吊籃，提供施工操作平臺(tái)；⑧防護(hù)棚布，起安全防護(hù)、遮陽(yáng)等作用。

根據(jù)氣動(dòng)與液壓結(jié)構(gòu)原理得到懸索橋索夾螺桿軸力檢測(cè)技術(shù)：索夾螺桿軸力檢測(cè)技術(shù)含量及難度要求高，為保證檢測(cè)質(zhì)量，往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間，在保證檢測(cè)精度及不破壞既有結(jié)構(gòu)的情況下采用液壓拔出法進(jìn)行索夾螺桿軸力檢測(cè)施工，方法簡(jiǎn)單可靠，可通過(guò)不同的分級(jí)張拉控制其誤差能夠滿足各種精度要求。

根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的代替原則得到懸索橋索夾螺桿同步補(bǔ)張技術(shù)：懸索橋索夾螺桿同步補(bǔ)張技術(shù)。傳統(tǒng)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(fù)對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)張，施工極其不便，為解決這一難題，本項(xiàng)目采用索夾同步張拉技術(shù)，保證了索夾螺桿補(bǔ)張的精度及便捷度。

5 結(jié)論

通過(guò)TRIZ理論建立技術(shù)系統(tǒng)、對(duì)技術(shù)系統(tǒng)[3]進(jìn)行因果分析、資源分析，找到解決問(wèn)題的入手點(diǎn)，并利用TRIZ理論中的創(chuàng)新原理、標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)及功能化模型得到3個(gè)解決方案[4]。

5.1 懸索橋主纜檢修小車(chē)

檢修小車(chē)?yán)弥骼|扶手鋼絲繩作為軌道，車(chē)架滾輪安全在扶手鋼絲繩上，車(chē)架上安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)（卷?yè)P(yáng)機(jī)），驅(qū)動(dòng)電機(jī)能夠牽引車(chē)架滾輪在扶手鋼絲繩自動(dòng)式行走，車(chē)架上鉸接有位于車(chē)架左右兩側(cè)吊籃，吊籃自由下垂并使主纜位于兩側(cè)吊籃的中部，施工操作人員在兩側(cè)吊籃內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，不僅不會(huì)對(duì)主纜防護(hù)涂層進(jìn)行破壞，而且吊籃具有下掛載人空間，作業(yè)安全系數(shù)高。

5.2 懸索橋索夾螺桿軸力檢測(cè)技術(shù)

液壓拔出法施工前先對(duì)液壓千斤頂進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定后的油壓與拉伸器的拉拔力存在線性關(guān)系，通過(guò)特別設(shè)計(jì)螺栓拉拔器分級(jí)張拉來(lái)測(cè)量螺母拉松時(shí)刻的油壓，以實(shí)現(xiàn)索夾螺栓預(yù)緊力的檢測(cè)。

5.3 懸索橋索夾螺桿同步補(bǔ)張技術(shù)

采用液壓螺栓拉拔器，根據(jù)橋梁?jiǎn)蝹€(gè)索夾的螺栓最多數(shù)量準(zhǔn)備，選擇合適型號(hào)的液壓泵站作為動(dòng)力單元，給所需要張拉所有的索夾螺桿套上動(dòng)力單元，然后控制液壓螺栓拉拔器同步張拉到設(shè)計(jì)值后，以對(duì)稱(chēng)方式對(duì)全部索夾螺栓用自制扳手將螺母擰緊。

根據(jù)TRIZ理論的進(jìn)化法則[5]對(duì)得到的解決方案[6]進(jìn)行定位分析，利用評(píng)價(jià)模型對(duì)所有解決方案進(jìn)行方案評(píng)價(jià)，最終選擇將方案①到方案③分別運(yùn)用到懸索橋索夾螺桿軸力檢測(cè)及補(bǔ)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(cè)及補(bǔ)張的難題，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)及施工過(guò)程中多臺(tái)設(shè)備同時(shí)多點(diǎn)作業(yè)，提高了施工效率并減少了勞動(dòng)人員的需求。但在實(shí)踐過(guò)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(xù)工作中對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行更深入研究。

參考文獻(xiàn)：

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（責(zé)任編輯：張雙鈺）

基金項(xiàng)目：湖北省創(chuàng)新方法推廣應(yīng)用基地服務(wù)能力建設(shè)項(xiàng)目（2020IM020800）

作者簡(jiǎn)介：楊燦（1995-），男，中鐵大橋局武漢橋梁特種技術(shù)有限公司助理工程師，研究方向：橋梁智慧管養(yǎng)；李曉行（1994-），女，中鐵大橋局武漢橋梁特種技術(shù)有限公司工程師，研究方向：橋梁智慧管養(yǎng)；杜君（1990-），男，中鐵大橋局武漢橋梁特種技術(shù)有限公司工程師，研究方向：橋梁智慧管養(yǎng)。