TRIZ理论在空间纽带式异形钢拱桥拱肋施工中的应用

李勇波　谭健　易卫平

摘 要：随着经济发展与桥梁建造水平的提高，城市景观桥的功能、结构、空间和美学需求也有了进一步提升，造型各异的景观桥梁层出不穷，驱动着桥梁施工工艺不断创新，并促进了创新方法在建造领域的应用。通过在空间纽带式异形钢拱桥拱肋施工中应用TRIZ理论，成功解决了施工中的难题，产生了良好的社会与经济效益，为创新方法在其他工程施工中的应用提供了示范。

关键词：异形钢拱桥；拱肋施工；TRIZ；创新方法

中图分类号：TU997文献标识码：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

大運路潇河大桥主桥采用了斜跨空间纽带拱桥体系，纵向立面上通过中间大拱斜跨、两侧小拱向外伸展变化的组合，运用空间扭面拱脚构造，将斜跨大拱和外倾小拱的力进行转化，由连接横梁及主梁一起承担。结构形式新颖、造型变化独特、结构受力体系复杂、施工难度大。

TRIZ理论相关研究始于1946年，以G．S．Altshuller 为首的前苏联的研究团队分析了数万项专利，综合多学科知识，提出创新问题的一系列可遵循的原理和法则[1]。G．S．Altshuller 通过对上百万件发明专利的分析研究，抽出了40个发明创造所遵循的原理，成为 TRIZ 解决技术矛盾的关键[2]。通过在钢拱肋的制造、加工、焊接、拼装和吊装过程中应用创新方法，特别是TRIZ理论的发明原理，有效解决了施工过程难题。

1 工程概况

大运路潇河大桥主桥采用空间纽带式异形钢拱桥（图1），主桥宽46m，结构体系为拱梁固结的系杆拱桥体系，跨径布置为（65+110+110+65）m。主桥纽带型拱肋由一片大主拱，两片外倾副拱及其连接横梁组成，拱肋采用抛物线拱。主拱由主桥东南侧斜向跨越至西北侧，并在边拱拱脚处通过主梁下的拱肋端横梁与副拱连接，主拱拱肋平面竖直，拱平面与纵桥向夹角为16.22°，跨度为229.12m，拱顶与桥面高差约57.25m。拱轴线主体段为抛物线，在拱平面内矢高为56.5m，跨度为225m。主桥两主跨分别布置有一片副拱，南侧主跨副拱位于桥面西侧，北侧主跨副拱位于桥面东侧，两片副拱在中拱脚处由主梁下的拱肋中横梁互相连接，在边拱脚处由主梁下的拱肋端横梁与主拱连接。两片副拱构造一致，关于主桥中心点呈180°斜对称。副拱拱肋平面外倾，与水平面夹角为65°，跨度为110m，拱顶与桥面高差约30m，拱轴线主体段为抛物线，在拱平面内失高为30m，跨度为94m。

2 拱肋施工难点

2.1 钢拱安装难度大

主拱跨度达229.12m，最高吊装高度为74.18m；副拱跨度达110m，最高吊装高度为46.77m，同时副拱拱肋平面外倾，外倾角度为25°。大跨度、大高度的超大型构件的安装施工难度大[3]。

2.2 弯扭构件加工制作难度大

主、副拱弯扭段壁板及中腹板单元为空间扭曲面的线型，造型奇特，且位置特殊，观感质量要求较高，钢板厚40mm，加工制作难度大，精度难以控制[3]。

2.3 钢拱节段吊装、运输难度大

钢拱拱肋采用封闭弯曲、弯扭箱型截面，最大副拱拱脚拱截面尺寸为9.3m×5.4m、最小副拱拱脚截面尺寸为4.0m×3.0m，均超出了当地公路运输允许尺寸范围，拱肋弯扭段结构异形、重量大，其中最大节段吊重为165t，施工难度和风险高。

3 创新方法运用及施工流程

3.1 节段单位、板单元划分

针对钢拱拱肋整体自重及尺寸较大，难以整体施工作业的问题，运用TRIZ理论的分割原理，根据拱肋内外部结构特点和设计要求对拱肋进行分段单元划分，在对拱脚弯扭段分段划分时避开支座节点构造和横隔板位置，分段位置在相邻横隔板中间位置（图2、图3、图4、图5）。鉴于当地公路运输尺寸范围仍小于最小节段单元截面尺寸，再次运用分割原理，将节段单元分割成在公路运输尺寸限制范围内的板单元，运输至现场组焊，并接拼成节段。接拼后的节段尺寸和重量在现场施工机械能力范围内，长度方向根据吊装起重能力拆分中若干分段，板宽方向根据油压机和卷板机进料尺寸限制进行拆分，拆分出的拼板缝与卷板机进料方向正交。

3.2 钢板下料

通过应用TRIZ理论对资源进行分析，钢板切割下料采用等离子切割和火焰切割两种切割工艺，等离子切割主要应用于薄板切割，火焰切割主要应用于厚板切割。运用TRIZ理论的预先作用原理，根据板厚和质量等级对坡口进行预先处理并采用钢板坡口机一次成型，保证后期焊接质量和连接强度。

3.3 板单位制作

拱脚弯扭段扭曲壁板单元采用压力机进行弯曲度加工。加工前，通过运用TRIZ理论的预先作用原理和反向原理，制作木质样箱（图6），样箱的外表面与钢拱壁板的内表面各项形状参数一致，即钢拱理论表面。通过剖面选取与展开制作样箱定制，为保证线形，运用TRIZ理论的预先防范原理增加輔助剖面，保证样箱结构具有足够的强度和刚度，防止使用过程中变形。

钢板点压完成后，通过运用TRIZ理论的反馈原理，采用木质样箱进行检测，主要检测壁板加工后的形状参数，将加工好的钢板吊入实体样箱上，检查壁板和样箱之间密贴程度（图7），通过“点压→校核→点压”的流程，直至样箱表面与钢板表面密贴。

3.4 板单元预拼装

由于拱脚弯扭段板单元扭曲度大，加工精度要求高，运用TRIZ理论的预先作用原理，在厂内对拱脚弯扭段板单元进行装配焊接前先进行预拼装（图8）。首先制作焊接胎架，根据设计图纸，采用型钢制作板进行单元预拼、焊接胎架，胎架高度根据板单元的扭曲程度确定，保证板单元焊接过程中的稳定及线形控制。然后进行焊接预拼，在拼装胎架上安放同一曲面上的所有板单元，检查拼缝错边情况，在拼装精度调整合格后，通过运用TRIZ理论的未达到或过度的作用原理，焊接劲板，在拼缝处留设嵌补段，以便现场焊接。

3.5 现场节段组拼

板单元运输至现场的拼装场地内，通过吊装设备将板单元组拼成吊装节段。

弯扭段焊接时，运用TRIZ理论的惰性环境原理，箱体内部焊缝采用CO2气体保护焊进行焊接，先焊竖向角焊缝，后焊平角焊缝，并采用双数焊工进行对称焊接。通过运用TRIZ理论对资源进行分析，根据不同的情况选择合适的焊接方法，当箱体弯扭程度较大时，箱体组合焊缝采用CO2气体保护焊进行焊接，焊缝较长时应采用分段退焊法并采用双数焊工对称施焊。当箱体弯扭程度较小时，采用自动CO2焊接小车进行焊接，焊缝较长时应采用分段退焊法并采用双数焊工对称施焊。当箱体弯扭较为平缓时，采用双弧双丝打底焊接，中间和面层采用埋弧焊进行焊接，使焊缝尽量美观。

节段组拼胎架制作时，运用TRIZ理论的预先防范原理，胎架的结构尺寸根据胎架所承载的荷载进行设计与校核后确定，保证胎架有足够的刚度，不随拼装重量的增加而变形。拱脚弯扭段组拼胎架设置前，应先在地面上划出底板投影位置线以及横隔板位置线，根据投影线位置，布置胎架支撑和模板。

分别按顺序对节段底板单元、隔板单元、腹板单元、顶板单元进行安装，完成节段组拼。在节段脱胎前，进行弯扭节段的整体检测，确保节段加工精度。

3.6 钢拱支架施工

拱肋拼装采用分节段原位拼装，钢拱肋分段安装采用格构式临时支撑，弯扭段及前两节段的临时支撑落在钢箱梁范围外，其余部位均落在钢箱梁上。落在钢箱梁外临时支撑采用4根钢管桩，通过转换平台转换为格构式临时支撑（图9），落在钢箱梁范围内临时支撑通过转换梁落在钢箱梁横隔板上。靠近墩身附近的钢管立柱与承台上预埋的钢板进行焊接。为保证支座横向受力均匀，应对钢横梁焊接顺序及时机与支架落架时机进行控制[4]。钢管立柱之间设置钢管作为纵、横向连接系。落地、梁上组合支架采用整体安拆在地面加工制作成整体，采用700t履带吊整体吊装安装（图10）。

3.7 钢拱拱肋节段吊装

钢拱拱脚弯扭节段组拼完成后（图11），采用QUY700吊机进行桥位安装（图12）。

由于拱肋空间姿态复杂，每个节段均为空间扭转角度，各个节段的重心位置均不相同，对安装精度要求高。运用TRIZ理论的预先作用原理，建立拱肋三维空间模型，找出各个节段拱肋的重心位置，然后通过计算机模拟空间放样，确定吊点位置、起吊钢丝绳长度，从而实现拱肋在自重作用下形成与设计倾角一致的倾角。

履带吊就位后，确定拱肋节段最佳安装角度及作业半径，通过采用空间维数变化原理将拱肋节段按照安装到位时的方向、角度吊离地面，同时完成钢拱肋节段空间姿态调整 并进行测量较核修正。

采用建立三维模型方式获取钢拱安装的三维坐标数据以及通过测量调整对钢拱线形进行控制。

3.8 合龙段的量配与焊接

除合龙段外的所有节段吊装、焊接完成后，测量合龙口的距离。根据测量结果求出跨中合龙段的配切长度，根据监控指令，同时为减少温度导致热胀冷缩的不利影响，运用TRIZ理论的减少有害作用时间的原理，在规定的温度下，用同一把钢盘尺，依据已确定的配切长度划线切除合龙段的合龙端头余量，并修磨焰切边。场地吊装合龙后，按照相同的焊接顺序同时施焊各接口的环缝，再焊板条肋，通过运用TRIZ理论的抛弃或再生原理，拆除临时连接件。

3.9 钢拱合龙段连接

钢拱合龙段制作完成后，运用TRIZ理论的减少有害作用时间的原理，在特定的时间段进行该段的吊装、定位与连接（图13），避免焊缝定位精度和合龙过程受温度的影响[5]。

3.10 鋼拱支架拆除

钢拱合龙焊接完成后，即可进行钢拱支架的拆除（图14）。钢拱支架拆除按照先主拱后副拱，由中间向两边的顺序进行。考虑钢拱自平衡特性，仅保留拱脚弯扭段支架待吊杆安装后拆除。

支架拆除前先落架，按照从中间往两边的顺序进行，落架完成后利用吊车整体拆除。

4 结语

TRIZ理论成功应用于大运路潇河大桥空间纽带式异形钢拱拱肋制造、运输、安装等过程中，解决了空间纽带式异形钢拱钢拱安装难度大、弯扭构件加工制作精度要求高等问题，使大运路潇河大桥关键节点工期和工程质量得到了保证，为其他工程施工提供了借鉴。结果表明，TRIZ理论

在建造领域的推广应用前景广阔，对智能建造的高质量发展有良好的推动作用。

参考文献：

[1]牛占文，徐燕申，林岳，等.发明创造的科学方法论——TRIZ[J].中国机械工程，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］陈璐嵩，王振坤，张伟，等.太原大运路潇河大桥钢拱施工技术[C]//清华大学，东南大学，中国建设科技集团股份有限公司，中国建筑集团有限公司，中国中建设计集团有限公司.北京：第八届全国钢结构工程技术交流会论文集.2020：334-338.

［4］王斌.异形拱-梁组合体系桥梁施工技术研究[J].山西建筑，2021，47（3）：145-147.

［5］张敏.大瑞铁路怒江特大桥钢桁拱多杆件合龙施工技术研究[J].中国水能及电气化，2021（11）：14-18.

（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：李勇波（1979-），男，中铁大桥局第七工程有限公司正高级工程师，研究方向：桥梁工程。