TRIZ方法在橋梁撓度測(cè)量方法改進(jìn)中的應(yīng)用

方子為　杜君　舒昕

摘 要：依托于橋梁實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)，主要解決的技術(shù)難點(diǎn)是如何對(duì)橋梁撓度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，并且架設(shè)設(shè)備不影響橋梁的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。為突破這一技術(shù)難題，在已有的條件下進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，首先通過(guò)建立技術(shù)系統(tǒng)，提出新技術(shù)系統(tǒng)的要求及最終理想解，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4個(gè)解決方案；然后根據(jù)TRIZ理論的進(jìn)化法則對(duì)得到的解決方案進(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)，發(fā)現(xiàn)其中傾角儀測(cè)撓度方案最優(yōu)；最終實(shí)施該方案并應(yīng)用到實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，可有效降低運(yùn)營(yíng)中長(zhǎng)期階段的中修、大修頻率，延長(zhǎng)橋梁使用壽命，降低橋梁全生命周期的養(yǎng)護(hù)維修成本。

關(guān)鍵詞：橋梁撓度；撓度測(cè)量；TRIZ理論

中圖分類號(hào)：U446 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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

橋梁撓度為梁體在受力或非均勻溫度變化時(shí)，梁體軸線在垂直于軸線方向的線位移或板殼中面在垂直于中面方向的線位移，橋梁撓度可以直觀地展示橋梁在水平面的形變情況，是橋梁健康狀況的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。

現(xiàn)階段測(cè)量橋梁梁體撓度的方法過(guò)于原始，缺乏簡(jiǎn)單、有效且成本低廉的測(cè)量方式，主要通過(guò)位移法對(duì)橋梁撓度進(jìn)行測(cè)量，但由于測(cè)量工作繁雜、耗時(shí)較長(zhǎng)、受環(huán)境影響大，不適合對(duì)大跨度橋梁尤其是跨河海橋梁進(jìn)行測(cè)量。

橋梁撓度的一般測(cè)量方法為先在橋梁下方開(kāi)辟一片水平地面，在地面上搭設(shè)腳手架并固定位移計(jì)，通過(guò)測(cè)量橋梁兩端到中間形變位移最大處豎直方向位移確定撓度。但此種方法測(cè)量橋梁梁體撓度的過(guò)程復(fù)雜，操作繁瑣，測(cè)量精度不足。

本文擬利用TRIZ理論中的創(chuàng)新原理、標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)及功能化模型，提出新的橋梁撓度測(cè)量方案。

1 理論概述

TRIZ理論是由前蘇聯(lián)G.S.Altshuler及其團(tuán)隊(duì)成員，自1946年開(kāi)始，花費(fèi)1 500人/年的時(shí)間，在分析研究世界各國(guó)250萬(wàn)件專利的基礎(chǔ)上所提出的發(fā)明問(wèn)題解決理論[1]。

TRIZ理論由解決技術(shù)問(wèn)題和實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的各種方法、工具和算法組成，是指導(dǎo)人們進(jìn)行創(chuàng)新活動(dòng)的科學(xué)方法理論。前蘇聯(lián)科學(xué)家G.S.Altshuler在對(duì)創(chuàng)新方法及專利規(guī)整做了大量工作后，得出了3個(gè)基本觀點(diǎn)：發(fā)明專利雖數(shù)目龐大，但有一個(gè)共同點(diǎn)，就是應(yīng)用了數(shù)目不多的一般性原理，像社會(huì)系統(tǒng)一樣，技術(shù)系統(tǒng)可以通過(guò)解決矛盾而得到發(fā)展。因此，真正的創(chuàng)新是解決矛盾，妥協(xié)的解決方案最多只能算優(yōu)化；技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化遵循一定的模式和規(guī)律。這就是說(shuō)，技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展（在一定限度內(nèi)）是可預(yù)測(cè)的。阿奇舒勒以這3個(gè)基本觀點(diǎn)為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)辯證法、認(rèn)識(shí)論和系統(tǒng)論的思想，總結(jié)出了技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則，并在基本原理基礎(chǔ)上構(gòu)建了求解發(fā)明問(wèn)題的技術(shù)、方法和工具體系，創(chuàng)立了TRIZ理論，經(jīng)過(guò)幾十年發(fā)展，現(xiàn)已形成TRIZ理論體系。

近幾年TRIZ理論在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用：朱輝等[2]應(yīng)用TRIZ理論將多軸擰緊機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)后的擰緊機(jī)位置易固定，損壞易維修；陸志猛等[3]利用TRIZ理論優(yōu)化設(shè)計(jì)了共振混合機(jī)，實(shí)現(xiàn)了原材料混合均勻性好，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和一致性；梁進(jìn)偉等[4]應(yīng)用TRIZ理論，對(duì)包裝盒輸送折邊裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出解決空邊問(wèn)題的辦法。本文將TRIZ理論應(yīng)用于橋梁撓度測(cè)量的方法改進(jìn)中，并將解決方案應(yīng)用于實(shí)際，取得了較好的效果。

2 理論分析問(wèn)題

2.1 問(wèn)題描述與分析

為了更好地了解橋梁撓度測(cè)量工作原理，我們分別對(duì)項(xiàng)目功能進(jìn)行解釋：固定功能：安裝固定位移計(jì)；校準(zhǔn)功能，使位移計(jì)安放在同一水平面上；測(cè)量功能：對(duì)橋梁梁體撓度進(jìn)行測(cè)量。

2.2 改進(jìn)目標(biāo)

①測(cè)量操作易于實(shí)施；②測(cè)量精度較好；③測(cè)量設(shè)備較為經(jīng)濟(jì)。

對(duì)于橋梁撓度測(cè)量裝置而言，我們期待的理想系統(tǒng)為：測(cè)量設(shè)備沒(méi)有實(shí)體，精度良好，不需要人為操作即可完成撓度測(cè)量。

2.3 系統(tǒng)分析

2.3.1 組件模型

在建立組件模型之前，首先要確定技術(shù)系統(tǒng)，傳統(tǒng)橋梁撓度測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示，并根據(jù)該技術(shù)系統(tǒng)的定義，確定該技術(shù)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)功能是測(cè)量大跨度橋梁撓度，因此，本技術(shù)系統(tǒng)作用對(duì)象是撓度待測(cè)的橋梁梁體，位移計(jì)與支撐裝置。

對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行組件分析，進(jìn)而分為系統(tǒng)組件子系統(tǒng)組件與超系統(tǒng)組件三大類組件[5]，具體如表1所示。由于位移計(jì)有多種工作方式，且測(cè)量精度都超過(guò)工程需求，因此將位移計(jì)視為子系統(tǒng)不展開(kāi)分析。

逐個(gè)分析各組件是否有相互作用，有相互作用用“+”表示，否則用“-”表示，最終得到組件相互作用如表2所示。

采用規(guī)范化的功能描述方式建立組件模型，如圖2所示。

通過(guò)組件模型分析，以及它們之間的相互關(guān)系，得出撓度測(cè)量方式的問(wèn)題：

①門(mén)型架的固定效果不足，容易發(fā)生水平晃動(dòng)；②門(mén)型架對(duì)調(diào)節(jié)桿的固定效果不足，間接影響測(cè)量效果；③位移計(jì)測(cè)量精度要求可以適當(dāng)降低。

2.3.2 組件價(jià)值分析

組件價(jià)值分析是運(yùn)用價(jià)值工程的方法，以阿奇舒勒定義的理想度為衡量標(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門(mén)型架對(duì)以及調(diào)節(jié)桿的作用。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。該技術(shù)系統(tǒng)的組件價(jià)值分析結(jié)果如表3所示。

因此得到基本裁剪方案如圖3所示：取消調(diào)節(jié)桿、插銷及其功能，門(mén)型架直接支撐與固定可調(diào)托座。裁剪后的系統(tǒng)如圖4所示。

進(jìn)行裁剪后腳手架依然無(wú)法得到想要的固定效果，位移計(jì)測(cè)量功能依然受到影響。因此需要進(jìn)一步使用TRIZ方法分析問(wèn)題。

2.4 因果分析

因果鏈分析是全面識(shí)別工程系統(tǒng)缺點(diǎn)的分析工具。因果鏈分析從初始問(wèn)題和缺點(diǎn)開(kāi)始，分析其影響因素，得出中間缺點(diǎn)，進(jìn)而繼續(xù)挖掘下一層級(jí)的影響因素，直到末端缺點(diǎn)。針對(duì)橋梁撓度結(jié)果誤差大的關(guān)鍵問(wèn)題，對(duì)橋梁撓度測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行因果鏈分析，得到因果鏈如圖5所示。通過(guò)因果鏈的分析，我們得到了撓度測(cè)量的3個(gè)問(wèn)題：①交叉拉桿數(shù)量不足；②交叉拉桿強(qiáng)度不足；③可調(diào)底座數(shù)量不足。

針對(duì)這些問(wèn)題，提出五項(xiàng)因果分析解決方案：因果方案一：增加交叉拉桿的數(shù)量；因果方案二：增加交叉拉桿強(qiáng)度；因果方案三：增加可調(diào)底座的數(shù)量；因果方案四：架設(shè)腳手架前先平整地面，使其達(dá)到水平；因果方案五：使用剛度更大的材料制作的腳手架。

解決方案一：增加交叉拉桿強(qiáng)度；解決方案二：架設(shè)腳手架之前準(zhǔn)備更加平整的水平地面。

關(guān)鍵缺點(diǎn)：關(guān)鍵缺點(diǎn)一：如果增加交叉拉桿數(shù)量，那么腳手架穩(wěn)定性會(huì)得到改善，但是腳手架搭設(shè)流程會(huì)更加復(fù)雜；關(guān)鍵缺點(diǎn)二：如果增加可調(diào)底座數(shù)量，那么腳手架穩(wěn)定性會(huì)得到改善，但是腳手架搭設(shè)流程會(huì)更加復(fù)雜。

2.5 資源分析

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行資源分析，結(jié)果如表4所示。

2.6 物場(chǎng)分析

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行物場(chǎng)分析，得到物場(chǎng)分析圖，如圖6所示。

3 解決方案

問(wèn)題匯總?cè)缦拢?/p>

系統(tǒng)初始問(wèn)題：測(cè)量橋梁梁體撓度的過(guò)程復(fù)雜，操作繁瑣，測(cè)量精度不足。功能分析問(wèn)題：進(jìn)行裁剪后腳手架依然無(wú)法得到想要的固定效果，位移計(jì)測(cè)量功能依然受到影響。因果分析問(wèn)題：①如果增加交叉拉桿數(shù)量，那么腳手架穩(wěn)定性會(huì)得到改善，但是腳手架搭設(shè)流程會(huì)更加復(fù)雜；②如果增加可調(diào)底座數(shù)量，那么腳手架穩(wěn)定性會(huì)得到改善，但是腳手架搭設(shè)流程會(huì)更加復(fù)雜。解決因果問(wèn)題一：如果增加交叉拉桿數(shù)量，那么腳手架穩(wěn)定性會(huì)得到改善，但是腳手架搭設(shè)流程會(huì)更加復(fù)雜。

技術(shù)矛盾：

如果增加腳手架的交叉拉桿數(shù)量，那么腳手架穩(wěn)定性會(huì)得到改善，但是腳手架搭設(shè)流程會(huì)更加復(fù)雜，可以利用TRIZ理論的技術(shù)矛盾矩陣來(lái)解決[6]。

改善的參數(shù)：穩(wěn)定性。

惡化的參數(shù)：操作流程的方便性。

通過(guò)查詢矛盾矩陣可得，32、35、30號(hào)發(fā)明原理可以利用。使用35號(hào)原理，改變物理或化學(xué)參數(shù)。

技術(shù)矛盾解決方案一：使用35號(hào)發(fā)明原理將水準(zhǔn)平面改為液體平面，通過(guò)測(cè)量橋梁梁體到液體平面距離得到梁體撓度，如圖7所示。

解決因果問(wèn)題2：如果增加可調(diào)底座數(shù)量，那么腳手架穩(wěn)定性會(huì)得到改善，但是腳手架搭設(shè)流程會(huì)更加復(fù)雜。

技術(shù)矛盾：可調(diào)底座的搭設(shè)數(shù)量需要多，因?yàn)槠脚_(tái)更穩(wěn)定。

可調(diào)底座的搭設(shè)數(shù)量需要少，因?yàn)榇钤O(shè)成本更低。

提取物理矛盾：底座用量的多與少，解決物理矛盾的核心是實(shí)現(xiàn)矛盾雙方的分離。

使用整理與部分分離原理，得知12、28、31、32、35、36、38、39、40號(hào)發(fā)明原理可以被利用。

使用28號(hào)機(jī)械系統(tǒng)替代原理，將機(jī)械系統(tǒng)（腳手架與位移計(jì)）改為電磁場(chǎng)利用光電接收器測(cè)得撓度。

物理矛盾解決方案一：使用激光射向橋梁梁體表面的反射板，通過(guò)測(cè)量光電接收器所收到的激光位移計(jì)算得到橋梁撓度變化，如圖8所示。

使用28號(hào)機(jī)械系統(tǒng)替代原理，將機(jī)械系統(tǒng)測(cè)量y位移改為測(cè)量?jī)A角σ，通過(guò)計(jì)算測(cè)得撓度。

物理矛盾解決方案二：通過(guò)測(cè)量橋梁已知點(diǎn)位的傾角，利用三角函數(shù)計(jì)算得到橋梁在該點(diǎn)的位移y，得到橋梁撓度的變化，如圖9所示。

物場(chǎng)模型解決方案一：使用激光測(cè)距儀代替機(jī)械測(cè)距方式，測(cè)量橋墩腳手架搭設(shè)點(diǎn)到梁體待測(cè)點(diǎn)之間距離，通過(guò)計(jì)算得出梁體下?lián)现?，如圖10所示。

4 方案評(píng)價(jià)及選擇

4.1 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)結(jié)果

裁剪方案：取消調(diào)節(jié)桿、插銷及其功能，門(mén)型架直接支撐與固定可調(diào)托座；

因果方案一：增加交叉拉桿強(qiáng)度；

因果方案二：架設(shè)腳手架之前準(zhǔn)備更加平整的水平地面。

技術(shù)矛盾解決方案：使用35號(hào)發(fā)明原理將水準(zhǔn)平面改為液體平面，通過(guò)測(cè)量橋梁梁體到液體平面距離得到梁體撓度。

物理矛盾解決方案一：使用激光射向橋梁梁體表面的反射板，通過(guò)測(cè)量光電接收器所收到的激光位移計(jì)算得到橋梁撓度變化；

物理矛盾解決方案二：通過(guò)測(cè)量橋梁已知點(diǎn)位的傾角，利用三角函數(shù)計(jì)算得到橋梁在該點(diǎn)的位移y，得到橋梁撓度的變化；

物場(chǎng)模型解決方案三：使用激光測(cè)距儀代替機(jī)械測(cè)距方式，測(cè)量橋墩腳手架搭設(shè)點(diǎn)到梁體待測(cè)點(diǎn)之間距離，通過(guò)計(jì)算得出梁體下?lián)现怠?/p>

從可行性、成本、準(zhǔn)確性、創(chuàng)新性4個(gè)維度對(duì)各項(xiàng)方案進(jìn)行列表評(píng)估，得出評(píng)估結(jié)果如表5所示，方案三得分最高。因此，最終選擇方案三進(jìn)行實(shí)施，并運(yùn)用到橋梁實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。

5 結(jié)語(yǔ)

該方法成功應(yīng)用于達(dá)陜高速公路廠溪河特大橋、襄陽(yáng)市漢江三座橋梁、十堰市鄖縣漢江大橋。通過(guò)傳感器全天候自動(dòng)持續(xù)監(jiān)測(cè)橋梁關(guān)鍵部位的撓度、溫度、位移、動(dòng)態(tài)特性等參數(shù)，實(shí)時(shí)預(yù)警，有效降低了運(yùn)營(yíng)中長(zhǎng)期階段的中修、大修頻率，延長(zhǎng)橋梁使用壽命，降低橋梁全生命周期的養(yǎng)護(hù)維修成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳光.創(chuàng)新思維與方法：TRIZ的理論與應(yīng)用[J]．北京：科學(xué)出版社，2011.

［2］朱輝，李培林，王崴，等.基于TRIZ理論的多軸擰緊機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2015，32（12）：26-29.

［3］陸志猛，溫常琰，孫濤，等.基于TRIZ理論的共振混合機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2020（2）：74-78.

［4］梁進(jìn)偉，鄧援超，劉瑩穎，等.TRIZ理論在包裝盒輸送折邊裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2020（4）：144-149.

［5］宋博學(xué).廢舊機(jī)床再制造質(zhì)量設(shè)計(jì)方法研究[D]．沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2017.

［6］檀潤(rùn)華.TRIZ及應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新過(guò)程與方法[M].北京：高等教育出版社，2010.

（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：方子為（1994-），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);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);舒昕（1986-），男，中鐵大橋局武漢橋梁特種技術(shù)有限公司高級(jí)工程師，研究方向：橋梁智慧管養(yǎng)。