TRIZ理论在悬索桥索夹螺杆轴力检测及补张拉问题中的应用

杨灿　李晓行　杜君

摘 要：针对目前悬索桥索夹螺杆因车辆等荷载引起索夹松动、滑移问题，利用发明问题解决理论（TRIZ），提出一种悬索桥索夹螺杆轴力检测及补张拉创新设计方法。首先，通过TRIZ理论建立技术系统；然后，对技术系统进行因果分析、资源分析，找到解决问题的入手点；最后，利用TRIZ理论中的创新原理、标准解系统及功能化模型得到3个解决方案。有效地解决了悬索桥索夹螺杆轴力检测及补张拉问题这一行业技术困难。

关键词：TRIZ理论；悬索桥；索夹螺杆；轴力检测；检修小车

中图分类号：U447 文献标识码：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

近年来，由于自然环境和交通量日益增长等综合因素影响，我国大量桥梁面临着巨大的交通负荷承载压力。悬索桥索夹螺杆紧固力会因车辆等荷载引起的缆索体系受力及线形变化等原因持续下降，最终将导致索夹松动甚至滑移。因此，应当在悬索桥通车运营2～3年后进行索夹螺杆拉力检查，当索夹螺杆拉力降低大于20%～30%时，应进行紧固补张，以保障悬索桥的结构受力安全。因此，探索悬索桥索夹螺杆轴力检测及补张拉方法则成为十分重要的课题。

1 TRIZ理论

TRIZ理论是由前苏联专利研究人员，在研究、归纳两百多万件世界各国专利的基础上，提出的一种适用于发明问题的解决理论。TRIZ理论是由解决技术问题以及实现创新的各种算法和方法构成的综合理论体系[1]，主要包括技术进化理论、最终理想解、40个發明原理、矛盾矩阵、物理矛盾和四大分离原理、物-场模型分析和76个标准解[2]、发明问题解决算法（ARIZ）以及科学和技术知识效应库等一系列原理、方法和工具。

2 项目分析

2.1 问题确定及分析

由于武汉鹦鹉洲长江大桥和江汉六桥（古田桥）索夹螺杆轴力检测及补张是在悬空的主缆上施工，因此作业受到无作业平台、单顶张拉容易造成后张拉螺杆影响的限制。故在悬索桥索夹螺杆轴力检测及补张拉施工中存在如下问题：

①索夹螺杆紧固力在进入运营期后，因车辆等荷载引起的缆索体系受力及线形变化；

②主缆内镀锌钢丝受压蠕变或重新排列等原因持续下降；

③索夹松动甚至滑移；

④索夹检测及补张无作业平台。

2.2 项目改进目标

常规解决方案：传统的索夹螺杆单顶张拉，在索夹螺杆较多情况下，后张拉螺杆很容易影响前面已张拉完成的螺杆，造成前面张拉完成螺杆轴力损失，后又需要反复对其进行补张，施工及其不便。理想改进目标：可实现索夹螺杆高效、高精度检测及补张，在检测及施工过程中，可以配合多台设备同时使用，实现多点作业，并在保证检测精度及不破坏既有结构的情况下进行索夹螺杆轴力检测施工。

3 组件及功能分析

3.1 组件分析

根据TRIZ理论技术系统的定义，确定悬索桥系统的作用对象、技术系统组件、超系统组件。而该技术系统功能是首先检测悬索桥索夹螺杆轴力，对轴力不合理的螺杆进行补张，使之达到合理的受力状态。因此，本技术系统作用对象是悬索桥索夹螺杆，技术系统组件为悬索桥的各个部分，包括主缆、桥塔、吊杆、桥面板等。基于以上建立的组件，进行组件之间的作用分析，采用规范化的功能描述方式建立组件模型，如图1所示。

3.2 价值组件分析

根据TRIZ理论中的阿奇舒勒定义理想度为衡量标准，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钢桁梁运输、提升吊装和安装对接、位置调整过程中梁体重量的处理。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。可以发现其中检修小车及检修器械最低成本为1，桥梁主体为9，因此技术系统中检修小车及检修器械是价值最低组件，可以将检修小车及检修器械作为裁剪的对象。悬索桥系统的裁剪分析如图2所示。

如果将检修小车及检修器械进行完全裁剪，则检修人员就需要直接在主缆上进行施工，安全问题就格外突出，需要找到新的裁剪方案，即根据检修平台搭建的难易程度对辅助施工的器械进行合理裁剪。

4 解决方案

针对如何解决悬索桥索夹螺杆轴力检测及补张拉的问题，一方面需要保证在主缆上搭建足够的空间，另一方面搭建检修平台的体量不宜过大，否则会影响搭建的工作量以及后续的移动问题。因此该系统改善的参数为控制复杂度，恶化的参数为运动物体的重量，通过查询矛盾矩阵表格得到可参考的发明原理如下：①复制原理；②机械系统的代替；③气动与液压结构原理；④变色改变原理。

根据机械系统的代替原理得到悬索桥检修小车搭建方案：利用主缆扶手钢丝绳作为轨道，可在主缆上自由行走，车架上铰接有位于车架左右两侧吊篮，吊篮自由下垂并使主缆位于两侧吊篮的中部，施工操作人员在两侧吊篮内进行作业，不仅不会对主缆防护涂层进行破坏，而且吊篮具有下挂载人空间，作业安全系数高，有效地解决了悬索桥主缆、索夹检测及维修无操作平台的情况，且安拆方便，根据悬索桥主缆尺寸稍作调整，就能适用于不同的桥梁，降低了施工成本，如图3所示。

①悬索桥主缆；②主缆扶手绳，作为检修小车的行走轨道；③小车滚轮，采用尼龙棒材料加工；④小车横梁，固定滚轮；⑤小车车架，滚轮与吊篮连接装置；⑥驱动电机；⑦吊篮，提供施工操作平台；⑧防护棚布，起安全防护、遮阳等作用。

根据气动与液压结构原理得到悬索桥索夹螺杆轴力检测技术：索夹螺杆轴力检测技术含量及难度要求高，为保证检测质量，往往需要较长的时间，在保证检测精度及不破坏既有结构的情况下采用液压拔出法进行索夹螺杆轴力检测施工，方法简单可靠，可通过不同的分级张拉控制其误差能够满足各种精度要求。

根据机械系统的代替原则得到悬索桥索夹螺杆同步补张技术：悬索桥索夹螺杆同步补张技术。传统的索夹螺杆单顶张拉，在索夹螺杆较多情况下，后张拉螺杆很容易影响前面已张拉完成的螺杆，造成前面张拉完成螺杆轴力损失，后又需要反复对其进行补张，施工极其不便，为解决这一难题，本项目采用索夹同步张拉技术，保证了索夹螺杆补张的精度及便捷度。

5 结论

通过TRIZ理论建立技术系统、对技术系统[3]进行因果分析、资源分析，找到解决问题的入手点，并利用TRIZ理论中的创新原理、标准解系统及功能化模型得到3个解决方案[4]。

5.1 悬索桥主缆检修小车

检修小车利用主缆扶手钢丝绳作为轨道，车架滚轮安全在扶手钢丝绳上，车架上安装驱动电机（卷扬机），驱动电机能够牵引车架滚轮在扶手钢丝绳自动式行走，车架上铰接有位于车架左右两侧吊篮，吊篮自由下垂并使主缆位于两侧吊篮的中部，施工操作人员在两侧吊篮内进行作业，不仅不会对主缆防护涂层进行破坏，而且吊篮具有下挂载人空间，作业安全系数高。

5.2 悬索桥索夹螺杆轴力检测技术

液压拔出法施工前先对液压千斤顶进行标定，标定后的油压与拉伸器的拉拔力存在线性关系，通过特别设计螺栓拉拔器分级张拉来测量螺母拉松时刻的油压，以实现索夹螺栓预紧力的检测。

5.3 悬索桥索夹螺杆同步补张技术

采用液压螺栓拉拔器，根据桥梁单个索夹的螺栓最多数量准备，选择合适型号的液压泵站作为动力单元，给所需要张拉所有的索夹螺杆套上动力单元，然后控制液压螺栓拉拔器同步张拉到设计值后，以对称方式对全部索夹螺栓用自制扳手将螺母拧紧。

根据TRIZ理论的进化法则[5]对得到的解決方案[6]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，最终选择将方案①到方案③分别运用到悬索桥索夹螺杆轴力检测及补张拉的不同施工阶段中了，解决了索夹螺杆高效、高精度检测及补张的难题，实现了检测及施工过程中多台设备同时多点作业，提高了施工效率并减少了劳动人员的需求。但在实践过程中后张拉螺杆容易影响前面已张拉完成的螺杆，造成前面张拉完成螺杆轴力损失，需要在后续工作中对此问题进行更深入研究。

参考文献：

[1]赵新军.技术创新理论（TRIZ）及应用[M].北京：化学工业出版社，2004.

［2］张武城.技术创新方法概论[M].北京：科学出版社，2009.

［3］杨廷双.TRIZ理论入门导读[M].哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，2007.

［4］侯圣智，牛占文.TRIZ理论与创新能力的培养[J].中国职业技术教育，2003（29）：30-32.

［5］檀润华.创新设计——TRIZ：发明问题解决理论[M].北京：机械工业出版社，2002.

［6］杨青亮.发明是这样诞生的——TRIZ理论全接触[M].北京：机械工业出版社，2006.

（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：杨灿（1995-），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；李晓行（1994-），女，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；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。