基于TRIZ理论的桥梁弹性多功能支座设计

摘 要：应用TRIZ理论解决高速铁路桥梁新型支座的设计问题。将支座设计的关键问题转化为TRIZ理论中的问题模型，然后通过功能分析，利用物-场模型、技术矛盾和物理矛盾分析求解问题，并找到最终解决方案。成功研发了铁路桥梁弹性约束多功能支座，实现了温度作用下梁体对称伸缩变形以及多墩协同受力的基本目标，取得了显著的经济效益。这一研究结果可为同类技术问题提供借鉴与参考。

关键词：创新方法;TRIZ理论;弹性支座;高铁桥梁

中图分类号：TU997 文献标识码：A Doi：10.3969/j.issn.1672-2272.202306090

Design of Elastic Multi-Functional Support for Bridge Based on TRIZ

Cui Yang

（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.，Ltd，

Wuhan 430056， China）

Abstract：TRIZ is applied to solve the design problem of new support for high-speed railway bridge. The key problems of support design are transformed into the problem model in TRIZ. Through functional analysis， the problems are solved by using object-field model， technical contradiction and physical contradiction， and the final solution is found. The multi-functional support with elastic constraint of railway bridge is developed to realize the basic goal of symmetrical expansion and deformation of beam body under temperature action and cooperative force of multiple piers， and remarkable economic benefits are obtained， which can provide reference for similar technical problems.

Key Words：Innovative Method; TRIZ Theory; Elastic Support; High-Speed Rail Bridge

0 引言

TRIZ理論是一种创新方法，它使创新思维从发散走向收敛，利用创新规律，使创新走出了盲目的、高成本的试错和灵光一现式的偶然。TRIZ理论成功地揭示了创新发明的内在规律和原理[1]，可快速确认和解决系统中存在的矛盾，从而帮助创新者更快地找到切实可行的创新解决方案[2-3]，并且最大程度地利用现有的资源和知识。

本文以“桥梁弹性多功能支座”为例，介绍TRIZ理论在高速铁路桥梁领域新产品研发设计中的应用。

1 研究背景

高速铁路是我国综合立体交通网的重要组成部分，随着高速铁路的快速发展，大跨度桥梁的建设需求日益增多，这些桥梁需要跨越河流、道路以及沟谷等。为适应桥上轨道受力要求，传统技术方案常采用钢轨伸缩调节器，但这种方案存在固有轨道不平顺、养护维修工作量大、且对线路平纵断面具有严格的技术限制，高速铁路桥梁设计应尽可能不设或少设钢轨伸缩调节器[4]。

因此，需要构建一种受力协同、变形协调的桥梁结构体系，取消设置钢轨伸缩调节器，提升梁端线路平顺性、减少维养工作量。综合考虑列车荷载、收缩徐变、温度变化、地震力等多种因素后[5-7]，将各桥墩的下部结构与支座串联刚度相结合，实现温度作用下梁体对称伸缩变形以及多墩协同受力的基本目标。

桥梁设计中，活动支座仅提供支撑，并不传递荷载在纵桥向上，而固定支座可以传递荷载，但不能释放温度变形。因此，需要设计研发一款集支撑、传力、释放变形于一体的多功能支座。考虑可实施性，将在现有铁路球钢固定支座基础上进行改造。

2 问题描述

定义工程问题：技术系统为多功能支座，功能为连接桥梁中的梁和墩。

现存在的问题：固定支座仅满足传力需求，不能释放温度变形。

改进目标：设计研发集支承、传力、释放变形于一体的多功能支座。

对新技术系统的要求：稳定可靠，不显著增加成本。

针对上述问题，将利用TRIZ理论进行相关分析，并开展创新设计。

3 分析问题

3.1 系统组件分析

组件分析用于问题的识别阶段，用于识别技术系统的组件及超系统中与技术系统有相互作用或者共存的组件。

铁路球钢支座的构造如图1所示，主要结构部件为上座板、下座板和球冠，其中上座板与梁体预埋连接，下座板通过地脚螺栓固定在桥墩垫石上，球冠一侧为平面，一侧为球面，用于释放墩梁间的相对转动。进行组件分析，找到了系统组件与超系统组件，见表1。

3.2 相互作用分析

相互作用分析用于识别技术系统及超系统组件间的相互作用，可以方便识别和定义影响产品或服务的关键因素，确定可能的优化机会和方案。经过组件分析，确定技术系统及超系统的组件为上座板、下座板、球冠、平面滑板、球面滑板及地脚螺栓，各组件间的关系矩阵如表2所示，表中“+”号表示组件间有相互作用，“-”号表示组件间无相互作用。

在对系统进行相互作用分析之后，建立铁路球钢固定支座系统组件功能模型，如图2所示。

3.3 功能建模

通过组件功能模型可以分析出系统的一个有害因素和一个不足因素。有害因素为：下座板与上座板之间固定，会导致梁体和桥墩不能产生相对位移，进而不能释放梁体温度变形；不足因素为：平面滑板与球冠间的滑动不够，不足够产生结构所需的理想位移。

4 解决问题

针对识别出的关键问题，以下将利用TRIZ理论中的技术矛盾、物-场模型及标准解等工具，求解出问题的解决方案，再将解决方案模型转化为本领域实际问题的解。

4.1 物-场模型及标准解分析

物-场模型是TRIZ理论中的一个重要分析工具。物-场模型将技术系统分解成3个基本元素，即两个物质（S1，S2）和一个场（F），用特定符号连接两个元素以表示其相互作用，形成一个三角形表示系统所实现的功能。针对“下座板与上座板之间固定”的问题，可以利用物-场模型进行分析。问题发生的位置为：下座板与上座板的接触部位。确定问题的物-场模型如图3所示，可以看出下座板对上座板的固定是有害的。

解决方法为：在给定的两个物质之间引入第三种物质S3，解决方案的物-场模型如图4所示。采用标准解9：在一个系统中有用及有害效应同时存在，S1及S2不必互相接触，引入S3来消除有害效应。结合本案例实际，解决方案就是在下座板和上座板之间引入传力构件弹簧，利用弹簧进行传力而两者不必接触，具体解决方案为，选用刚度大、尺寸小、变形复位快的碟形弹簧。

4.2 技术矛盾分析

TRIZ理论中的技术矛盾通常表现为系统中的一个部分性能的增强，会导致有用及有害的两种结果同时发生，或者表现为引入有用作用或消除有害效应会导致其他系统性能劣化。针对“平面滑板与球冠间滑动不足”的问题，利用技术矛盾进行分析。

TRIZ理论给出了39个工程参数和40个发明原理。本案例中，为了消除平面滑板与球冠间滑动不足的问题，可以增大平面滑板的长度。但由此带来的问题是，会明显增加体积，体积过大的支座不便于工程使用。技术矛盾的改善参数为运动物体的长度，恶化参数为运动物体的体积。通过查找矛盾矩阵可以得出解决该问题的发明原理，分别为4、7、17、35。结合实际问题，采用发明原理7-嵌套原理解决问题。嵌套原理是指将一个物体放在第二个物体中或使一个物体穿过另一个物体的空腔。根据嵌套原理，在底座板上设置一个圆柱形空腔，上座板的一部分穿入空腔，在实现足够的变形的同时而不会增加整体体积，问题得到解决。

4.3 物理矛盾分析

物理矛盾仅涉及系统中的一个子系统或部件，并对其提出了相反的要求，由此产生了矛盾。本设计需要研究的物理矛盾问题是“下座板与上座板之间固定”。问题描述为：如果将下座板与上座板之间固定，那么强度大、刚度大，如果将下座板与上座板之间不固定，则刚度会变小。刚度既要大，又要小，刚度大的优点是强度高，承载力强，缺点是不可动；刚度小的优点是可动性高，缺点是变形大，强度小。

采用分离原理解决物理矛盾，结合实际情况，筛选得到空间分离对应的发明原理1：分割原理。将下座板分为上下两部分，下部为固结，上部可動。

4.4 方案评价

基于TRIZ理论分析解决问题得到3个改进方案，接下来对这3个方案进行综合评价。针对本技术系统，主要从可实施性、复杂性、成本和整体性能这4个维度评价，建立评价模型如表3所示。

根据评价模型对方案进行评价，方案评价如表4所示。

经过方案评价，优先选择在下座板和上座板之间引入传力构件弹簧，将下座板分为下部固结上部可动的构件、底座板设置圆柱形空腔上座板穿入空腔，这两个方案得分也较高，可以作为实际改进中的参考。

本案例最终改进方案如图5所示。改进后的新型多功能支座可以满足集支承、传力、释放变形于一体的工程实际需求。支座平面摩擦副产生的静摩阻力能够克服桥上列车制动力，全桥具有足够的纵向刚度，温度作用下梁体对称伸缩变形，主梁温度伸缩零点锁定在中跨跨中附近。

弹性约束装置采用疲劳性能优良的碟簧结构。支座养护时除常规项目外，只需定期对碟簧抹油润滑处理即可，如发现部件有损坏，可进行局部更换。

5 结语

本文应用TRIZ理论对高速铁路桥梁新型支座研发进行了研究，取得了创新性成果。通过TRIZ理论中问题识别分析的相关工具，运用物-场模型、技术矛盾、物理矛盾等问题求解方法，快速有效地找到符合实际需求地解决方案。成果获得国家专利授权，并应用于多座大跨度连续梁桥中，实现了结构联长在400m及以内的铁路大跨桥梁不设伸缩调节器，提升了高速列车运营品质。

新型支座的推广应用，将会减少养护维修工作量，优化结构设计与线路方案，提升轨道平顺性，带来显著的经济效益。

参考文献：

[1]刘训涛，曹贺，陈国晶.TRIZ 理论及应用[M].北京：北京大学出版社，2011.

[2]邓援超，周杨，董阳，等.基于TRIZ理论的包装袋成型机吸盒装置优化设计[J].湖北工业大学学报，2018，33（2）：9-12.

[3]张文利，程婷婷，冯昊.TRIZ理论在物联网系统中的应用[J].科技创业月刊，2019，32（12）：150-155.

[4]叶松.桥梁新型多功能支座对无缝线路纵向力影响研究[J].中国铁路，2023（2）：13-18.

[5]杨得旺.高速铁路钢混连续梁桥弹性约束体系抗震性能研究[J].铁道建筑，2022，62（12）：129-133.

[6]曾文宋武，黄方林，申成庆，等.长联大跨连续梁桥温度场实测与仿真分析[J].铁道科学与工程学报，2021，18（12）：3278-3285.

[7]张运波，宋基军，陈伟.高铁连续梁收缩徐变及长期挠度变化研究[J].铁道工程学报，2015，32（5）：49-53.

（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：崔旸（1991-），女，中铁第四勘察设计院集团有限公司工程师，研究方向：铁路桥梁设计研究与数智化研发。