TRIZ方法在桥梁挠度测量方法改进中的应用

方子为　杜君　舒昕

摘 要：依托于桥梁实时在线监测系统的研发，主要解决的技术难点是如何对桥梁挠度进行实时测量，并且架设设备不影响桥梁的结构状态。为突破这一技术难题，在已有的条件下进行优化创新，首先通过建立技术系统，提出新技术系统的要求及最终理想解，利用TRIZ理论中的创新原理、标准解系统及功能化模型得到4个解决方案；然后根据TRIZ理论的进化法则对得到的解决方案进行定位分析，利用评价模型对所有解决方案进行方案评价，发现其中倾角仪测挠度方案最优；最终实施该方案并应用到实时在线监测系统中，可有效降低运营中长期阶段的中修、大修频率，延长桥梁使用寿命，降低桥梁全生命周期的养护维修成本。

关键词：桥梁挠度；挠度测量；TRIZ理论

中图分类号：U446 文献标识码：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

橋梁挠度为梁体在受力或非均匀温度变化时，梁体轴线在垂直于轴线方向的线位移或板壳中面在垂直于中面方向的线位移，桥梁挠度可以直观地展示桥梁在水平面的形变情况，是桥梁健康状况的重要评价指标。

现阶段测量桥梁梁体挠度的方法过于原始，缺乏简单、有效且成本低廉的测量方式，主要通过位移法对桥梁挠度进行测量，但由于测量工作繁杂、耗时较长、受环境影响大，不适合对大跨度桥梁尤其是跨河海桥梁进行测量。

桥梁挠度的一般测量方法为先在桥梁下方开辟一片水平地面，在地面上搭设脚手架并固定位移计，通过测量桥梁两端到中间形变位移最大处竖直方向位移确定挠度。但此种方法测量桥梁梁体挠度的过程复杂，操作繁琐，测量精度不足。

本文拟利用TRIZ理论中的创新原理、标准解系统及功能化模型，提出新的桥梁挠度测量方案。

1 理论概述

TRIZ理论是由前苏联G.S.Altshuler及其团队成员，自1946年开始，花费1 500人/年的时间，在分析研究世界各国250万件专利的基础上所提出的发明问题解决理论[1]。

TRIZ理论由解决技术问题和实现创新开发的各种方法、工具和算法组成，是指导人们进行创新活动的科学方法理论。前苏联科学家G.S.Altshuler在对创新方法及专利规整做了大量工作后，得出了3个基本观点：发明专利虽数目庞大，但有一个共同点，就是应用了数目不多的一般性原理，像社会系统一样，技术系统可以通过解决矛盾而得到发展。因此，真正的创新是解决矛盾，妥协的解决方案最多只能算优化；技术系统的进化遵循一定的模式和规律。这就是说，技术系统的发展（在一定限度内）是可预测的。阿奇舒勒以这3个基本观点为出发点，根据辩证法、认识论和系统论的思想，总结出了技术系统进化法则，并在基本原理基础上构建了求解发明问题的技术、方法和工具体系，创立了TRIZ理论，经过几十年发展，现已形成TRIZ理论体系。

近几年TRIZ理论在创新设计中得到广泛应用：朱辉等[2]应用TRIZ理论将多轴拧紧机进行优化，改进后的拧紧机位置易固定，损坏易维修；陆志猛等[3]利用TRIZ理论优化设计了共振混合机，实现了原材料混合均匀性好，提高了产品质量的稳定性和一致性；梁进伟等[4]应用TRIZ理论，对包装盒输送折边装置进行优化设计，提出解决空边问题的办法。本文将TRIZ理论应用于桥梁挠度测量的方法改进中，并将解决方案应用于实际，取得了较好的效果。

2 理论分析问题

2.1 问题描述与分析

为了更好地了解桥梁挠度测量工作原理，我们分别对项目功能进行解释：固定功能：安装固定位移计；校准功能，使位移计安放在同一水平面上；测量功能：对桥梁梁体挠度进行测量。

2.2 改进目标

①测量操作易于实施；②测量精度较好；③测量设备较为经济。

对于桥梁挠度测量装置而言，我们期待的理想系统为：测量设备没有实体，精度良好，不需要人为操作即可完成挠度测量。

2.3 系统分析

2.3.1 组件模型

在建立组件模型之前，首先要确定技术系统，传统桥梁挠度测量系统如图1所示，并根据该技术系统的定义，确定该技术系统的作用对象、技术系统组件、超系统组件。而该技術系统功能是测量大跨度桥梁挠度，因此，本技术系统作用对象是挠度待测的桥梁梁体，位移计与支撑装置。

对本系统进行组件分析，进而分为系统组件子系统组件与超系统组件三大类组件[5]，具体如表1所示。由于位移计有多种工作方式，且测量精度都超过工程需求，因此将位移计视为子系统不展开分析。

逐个分析各组件是否有相互作用，有相互作用用“+”表示，否则用“-”表示，最终得到组件相互作用如表2所示。

采用规范化的功能描述方式建立组件模型，如图2所示。

通过组件模型分析，以及它们之间的相互关系，得出挠度测量方式的问题：

①门型架的固定效果不足，容易发生水平晃动；②门型架对调节杆的固定效果不足，间接影响测量效果；③位移计测量精度要求可以适当降低。

2.3.2 组件价值分析

组件价值分析是运用价值工程的方法，以阿奇舒勒定义的理想度为衡量标准，通过评估有用作用、有害作用及成本，来确定组件的理想度。从组件模型图可以看到，技术系统的有害及不足作用主要集中在门型架对以及调节杆的作用。通过对于技术系统的进一步的组件价值分析，定量分析求解出理想度指标，其中成本分配规则为：1～10，1是最便宜，10是最昂贵。该技术系统的组件价值分析结果如表3所示。

因此得到基本裁剪方案如图3所示：取消调节杆、插销及其功能，门型架直接支撑与固定可调托座。裁剪后的系统如图4所示。

进行裁剪后脚手架依然无法得到想要的固定效果，位移计测量功能依然受到影响。因此需要进一步使用TRIZ方法分析问题。

2.4 因果分析

因果链分析是全面识别工程系统缺点的分析工具。因果链分析从初始问题和缺点开始，分析其影响因素，得出中间缺点，进而继续挖掘下一层级的影响因素，直到末端缺点。针对桥梁挠度结果误差大的关键问题，对桥梁挠度测量系统进行因果链分析，得到因果链如图5所示。通过因果链的分析，我们得到了挠度测量的3个问题：①交叉拉杆数量不足；②交叉拉杆强度不足；③可调底座数量不足。

针对这些问题，提出五项因果分析解决方案：因果方案一：增加交叉拉杆的数量；因果方案二：增加交叉拉杆强度；因果方案三：增加可调底座的数量；因果方案四：架设脚手架前先平整地面，使其达到水平；因果方案五：使用刚度更大的材料制作的脚手架。

解决方案一：增加交叉拉杆强度；解决方案二：架设脚手架之前准备更加平整的水平地面。

关键缺点：关键缺点一：如果增加交叉拉杆数量，那么脚手架稳定性会得到改善，但是脚手架搭设流程会更加复杂；关键缺点二：如果增加可调底座数量，那么脚手架稳定性会得到改善，但是脚手架搭设流程会更加复杂。

2.5 资源分析

对系统进行资源分析，结果如表4所示。

2.6 物场分析

对系统进行物场分析，得到物场分析图，如图6所示。

3 解决方案

问题汇总如下：

系统初始问题：测量桥梁梁体挠度的过程复杂，操作繁琐，测量精度不足。功能分析问题：进行裁剪后脚手架依然无法得到想要的固定效果，位移计测量功能依然受到影响。因果分析问题：①如果增加交叉拉杆数量，那么脚手架稳定性会得到改善，但是脚手架搭设流程会更加复杂；②如果增加可调底座数量，那么脚手架稳定性会得到改善，但是脚手架搭设流程会更加复杂。解决因果问题一：如果增加交叉拉杆数量，那么脚手架稳定性会得到改善，但是脚手架搭设流程会更加复杂。

技术矛盾：

如果增加脚手架的交叉拉杆数量，那么脚手架稳定性会得到改善，但是脚手架搭设流程会更加复杂，可以利用TRIZ理论的技术矛盾矩阵来解决[6]。

改善的参数：稳定性。

恶化的参数：操作流程的方便性。

通过查询矛盾矩阵可得，32、35、30号发明原理可以利用。使用35号原理，改变物理或化学参数。

技术矛盾解决方案一：使用35号发明原理将水准平面改为液体平面，通过测量桥梁梁体到液体平面距离得到梁体挠度，如图7所示。

解决因果问题2：如果增加可调底座数量，那么脚手架稳定性会得到改善，但是脚手架搭设流程会更加复杂。

技术矛盾：可调底座的搭设数量需要多，因为平台更稳定。

可调底座的搭设数量需要少，因为搭设成本更低。

提取物理矛盾：底座用量的多与少，解决物理矛盾的核心是实现矛盾双方的分离。

使用整理与部分分离原理，得知12、28、31、32、35、36、38、39、40号发明原理可以被利用。

使用28号机械系统替代原理，将机械系统（脚手架与位移计）改为电磁场利用光电接收器测得挠度。

物理矛盾解决方案一：使用激光射向桥梁梁体表面的反射板，通过测量光电接收器所收到的激光位移计算得到桥梁挠度变化，如图8所示。

使用28号机械系统替代原理，将机械系统测量y位移改为测量倾角σ，通过计算测得挠度。

物理矛盾解决方案二：通过测量桥梁已知点位的倾角，利用三角函数计算得到桥梁在该点的位移y，得到桥梁挠度的变化，如图9所示。

物场模型解决方案一：使用激光测距仪代替机械测距方式，测量桥墩脚手架搭设点到梁体待测点之间距离，通过计算得出梁体下挠值，如图10所示。

4 方案评价及选择

4.1 评价标准及评价结果

裁剪方案：取消调节杆、插销及其功能，门型架直接支撑与固定可调托座；

因果方案一：增加交叉拉杆强度；

因果方案二：架设脚手架之前准备更加平整的水平地面。

技术矛盾解决方案：使用35号发明原理将水准平面改为液体平面，通过测量桥梁梁体到液体平面距离得到梁体挠度。

物理矛盾解决方案一：使用激光射向桥梁梁体表面的反射板，通过测量光电接收器所收到的激光位移计算得到桥梁挠度变化；

物理矛盾解决方案二：通过测量桥梁已知点位的倾角，利用三角函数计算得到桥梁在该点的位移y，得到桥梁挠度的变化；

物场模型解决方案三：使用激光测距仪代替机械测距方式，测量桥墩脚手架搭设点到梁体待测点之间距离，通过计算得出梁体下挠值。

从可行性、成本、准确性、创新性4个维度对各项方案进行列表评估，得出评估结果如表5所示，方案三得分最高。因此，最终选择方案三进行实施，并运用到桥梁实时在线监测系统中。

5 结语

该方法成功应用于达陕高速公路厂溪河特大桥、襄阳市汉江三座桥梁、十堰市郧县汉江大桥。通过传感器全天候自动持续监测桥梁关键部位的挠度、温度、位移、动态特性等参数，实时预警，有效降低了运营中长期阶段的中修、大修频率，延长桥梁使用寿命，降低桥梁全生命周期的养护维修成本。

参考文献：

[1]陈光.创新思维与方法：TRIZ的理论与应用[J]．北京：科学出版社，2011.

［2］朱辉，李培林，王崴，等.基于TRIZ理论的多轴拧紧机结构优化设计[J].机械设计，2015，32（12）：26-29.

［3］陸志猛，温常琰，孙涛，等.基于TRIZ理论的共振混合机优化设计[J].科技创业月刊，2020（2）：74-78.

［4］梁进伟，邓援超，刘莹颖，等.TRIZ理论在包装盒输送折边装置优化设计中的应用[J].科技创业月刊，2020（4）：144-149.

［5］宋博学.废旧机床再制造质量设计方法研究[D]．沈阳：沈阳工业大学，2017.

［6］檀润华.TRIZ及应用技术创新过程与方法[M].北京：高等教育出版社，2010.

（责任编辑：张双钰）

基金项目：湖北省创新方法推广应用基地服务能力建设项目（2020IM020800）

作者简介：方子为（1994-），男，中铁大桥局武汉桥梁特种技术有限公司助理工程师，研究方向：桥梁智慧管养;杜君（1990-），男，中铁大桥局武汉桥梁特种技术有限公司工程师，研究方向：桥梁智慧管养;舒昕（1986-），男，中铁大桥局武汉桥梁特种技术有限公司高级工程师，研究方向：桥梁智慧管养。