基于TRIZ理論的橋梁彈性多功能支座設(shè)計(jì)

摘 要：應(yīng)用TRIZ理論解決高速鐵路橋梁新型支座的設(shè)計(jì)問題。將支座設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題轉(zhuǎn)化為TRIZ理論中的問題模型，然后通過功能分析，利用物-場模型、技術(shù)矛盾和物理矛盾分析求解問題，并找到最終解決方案。成功研發(fā)了鐵路橋梁彈性約束多功能支座，實(shí)現(xiàn)了溫度作用下梁體對稱伸縮變形以及多墩協(xié)同受力的基本目標(biāo)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。這一研究結(jié)果可為同類技術(shù)問題提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新方法;TRIZ理論;彈性支座;高鐵橋梁

中圖分類號：TU997 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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理論是一種創(chuàng)新方法，它使創(chuàng)新思維從發(fā)散走向收斂，利用創(chuàng)新規(guī)律，使創(chuàng)新走出了盲目的、高成本的試錯和靈光一現(xiàn)式的偶然。TRIZ理論成功地揭示了創(chuàng)新發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理[1]，可快速確認(rèn)和解決系統(tǒng)中存在的矛盾，從而幫助創(chuàng)新者更快地找到切實(shí)可行的創(chuàng)新解決方案[2-3]，并且最大程度地利用現(xiàn)有的資源和知識。

本文以“橋梁彈性多功能支座”為例，介紹TRIZ理論在高速鐵路橋梁領(lǐng)域新產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 研究背景

高速鐵路是我國綜合立體交通網(wǎng)的重要組成部分，隨著高速鐵路的快速發(fā)展，大跨度橋梁的建設(shè)需求日益增多，這些橋梁需要跨越河流、道路以及溝谷等。為適應(yīng)橋上軌道受力要求，傳統(tǒng)技術(shù)方案常采用鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，但這種方案存在固有軌道不平順、養(yǎng)護(hù)維修工作量大、且對線路平縱斷面具有嚴(yán)格的技術(shù)限制，高速鐵路橋梁設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能不設(shè)或少設(shè)鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器[4]。

因此，需要構(gòu)建一種受力協(xié)同、變形協(xié)調(diào)的橋梁結(jié)構(gòu)體系，取消設(shè)置鋼軌伸縮調(diào)節(jié)器，提升梁端線路平順性、減少維養(yǎng)工作量。綜合考慮列車荷載、收縮徐變、溫度變化、地震力等多種因素后[5-7]，將各橋墩的下部結(jié)構(gòu)與支座串聯(lián)剛度相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)溫度作用下梁體對稱伸縮變形以及多墩協(xié)同受力的基本目標(biāo)。

橋梁設(shè)計(jì)中，活動支座僅提供支撐，并不傳遞荷載在縱橋向上，而固定支座可以傳遞荷載，但不能釋放溫度變形。因此，需要設(shè)計(jì)研發(fā)一款集支撐、傳力、釋放變形于一體的多功能支座?？紤]可實(shí)施性，將在現(xiàn)有鐵路球鋼固定支座基礎(chǔ)上進(jìn)行改造。

2 問題描述

定義工程問題：技術(shù)系統(tǒng)為多功能支座，功能為連接橋梁中的梁和墩。

現(xiàn)存在的問題：固定支座僅滿足傳力需求，不能釋放溫度變形。

改進(jìn)目標(biāo)：設(shè)計(jì)研發(fā)集支承、傳力、釋放變形于一體的多功能支座。

對新技術(shù)系統(tǒng)的要求：穩(wěn)定可靠，不顯著增加成本。

針對上述問題，將利用TRIZ理論進(jìn)行相關(guān)分析，并開展創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

3 分析問題

3.1 系統(tǒng)組件分析

組件分析用于問題的識別階段，用于識別技術(shù)系統(tǒng)的組件及超系統(tǒng)中與技術(shù)系統(tǒng)有相互作用或者共存的組件。

鐵路球鋼支座的構(gòu)造如圖1所示，主要結(jié)構(gòu)部件為上座板、下座板和球冠，其中上座板與梁體預(yù)埋連接，下座板通過地腳螺栓固定在橋墩墊石上，球冠一側(cè)為平面，一側(cè)為球面，用于釋放墩梁間的相對轉(zhuǎn)動。進(jìn)行組件分析，找到了系統(tǒng)組件與超系統(tǒng)組件，見表1。

3.2 相互作用分析

相互作用分析用于識別技術(shù)系統(tǒng)及超系統(tǒng)組件間的相互作用，可以方便識別和定義影響產(chǎn)品或服務(wù)的關(guān)鍵因素，確定可能的優(yōu)化機(jī)會和方案。經(jīng)過組件分析，確定技術(shù)系統(tǒng)及超系統(tǒng)的組件為上座板、下座板、球冠、平面滑板、球面滑板及地腳螺栓，各組件間的關(guān)系矩陣如表2所示，表中“+”號表示組件間有相互作用，“-”號表示組件間無相互作用。

在對系統(tǒng)進(jìn)行相互作用分析之后，建立鐵路球鋼固定支座系統(tǒng)組件功能模型，如圖2所示。

3.3 功能建模

通過組件功能模型可以分析出系統(tǒng)的一個有害因素和一個不足因素。有害因素為：下座板與上座板之間固定，會導(dǎo)致梁體和橋墩不能產(chǎn)生相對位移，進(jìn)而不能釋放梁體溫度變形；不足因素為：平面滑板與球冠間的滑動不夠，不足夠產(chǎn)生結(jié)構(gòu)所需的理想位移。

4 解決問題

針對識別出的關(guān)鍵問題，以下將利用TRIZ理論中的技術(shù)矛盾、物-場模型及標(biāo)準(zhǔn)解等工具，求解出問題的解決方案，再將解決方案模型轉(zhuǎn)化為本領(lǐng)域?qū)嶋H問題的解。

4.1 物-場模型及標(biāo)準(zhǔn)解分析

物-場模型是TRIZ理論中的一個重要分析工具。物-場模型將技術(shù)系統(tǒng)分解成3個基本元素，即兩個物質(zhì)（S1，S2）和一個場（F），用特定符號連接兩個元素以表示其相互作用，形成一個三角形表示系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的功能。針對“下座板與上座板之間固定”的問題，可以利用物-場模型進(jìn)行分析。問題發(fā)生的位置為：下座板與上座板的接觸部位。確定問題的物-場模型如圖3所示，可以看出下座板對上座板的固定是有害的。

解決方法為：在給定的兩個物質(zhì)之間引入第三種物質(zhì)S3，解決方案的物-場模型如圖4所示。采用標(biāo)準(zhǔn)解9：在一個系統(tǒng)中有用及有害效應(yīng)同時存在，S1及S2不必互相接觸，引入S3來消除有害效應(yīng)。結(jié)合本案例實(shí)際，解決方案就是在下座板和上座板之間引入傳力構(gòu)件彈簧，利用彈簧進(jìn)行傳力而兩者不必接觸，具體解決方案為，選用剛度大、尺寸小、變形復(fù)位快的碟形彈簧。

4.2 技術(shù)矛盾分析

TRIZ理論中的技術(shù)矛盾通常表現(xiàn)為系統(tǒng)中的一個部分性能的增強(qiáng)，會導(dǎo)致有用及有害的兩種結(jié)果同時發(fā)生，或者表現(xiàn)為引入有用作用或消除有害效應(yīng)會導(dǎo)致其他系統(tǒng)性能劣化。針對“平面滑板與球冠間滑動不足”的問題，利用技術(shù)矛盾進(jìn)行分析。

TRIZ理論給出了39個工程參數(shù)和40個發(fā)明原理。本案例中，為了消除平面滑板與球冠間滑動不足的問題，可以增大平面滑板的長度。但由此帶來的問題是，會明顯增加體積，體積過大的支座不便于工程使用。技術(shù)矛盾的改善參數(shù)為運(yùn)動物體的長度，惡化參數(shù)為運(yùn)動物體的體積。通過查找矛盾矩陣可以得出解決該問題的發(fā)明原理，分別為4、7、17、35。結(jié)合實(shí)際問題，采用發(fā)明原理7-嵌套原理解決問題。嵌套原理是指將一個物體放在第二個物體中或使一個物體穿過另一個物體的空腔。根據(jù)嵌套原理，在底座板上設(shè)置一個圓柱形空腔，上座板的一部分穿入空腔，在實(shí)現(xiàn)足夠的變形的同時而不會增加整體體積，問題得到解決。

4.3 物理矛盾分析

物理矛盾僅涉及系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)或部件，并對其提出了相反的要求，由此產(chǎn)生了矛盾。本設(shè)計(jì)需要研究的物理矛盾問題是“下座板與上座板之間固定”。問題描述為：如果將下座板與上座板之間固定，那么強(qiáng)度大、剛度大，如果將下座板與上座板之間不固定，則剛度會變小。剛度既要大，又要小，剛度大的優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高，承載力強(qiáng)，缺點(diǎn)是不可動；剛度小的優(yōu)點(diǎn)是可動性高，缺點(diǎn)是變形大，強(qiáng)度小。

采用分離原理解決物理矛盾，結(jié)合實(shí)際情況，篩選得到空間分離對應(yīng)的發(fā)明原理1：分割原理。將下座板分為上下兩部分，下部為固結(jié)，上部可動。

4.4 方案評價

基于TRIZ理論分析解決問題得到3個改進(jìn)方案，接下來對這3個方案進(jìn)行綜合評價。針對本技術(shù)系統(tǒng)，主要從可實(shí)施性、復(fù)雜性、成本和整體性能這4個維度評價，建立評價模型如表3所示。

根據(jù)評價模型對方案進(jìn)行評價，方案評價如表4所示。

經(jīng)過方案評價，優(yōu)先選擇在下座板和上座板之間引入傳力構(gòu)件彈簧，將下座板分為下部固結(jié)上部可動的構(gòu)件、底座板設(shè)置圓柱形空腔上座板穿入空腔，這兩個方案得分也較高，可以作為實(shí)際改進(jìn)中的參考。

本案例最終改進(jìn)方案如圖5所示。改進(jìn)后的新型多功能支座可以滿足集支承、傳力、釋放變形于一體的工程實(shí)際需求。支座平面摩擦副產(chǎn)生的靜摩阻力能夠克服橋上列車制動力，全橋具有足夠的縱向剛度，溫度作用下梁體對稱伸縮變形，主梁溫度伸縮零點(diǎn)鎖定在中跨跨中附近。

彈性約束裝置采用疲勞性能優(yōu)良的碟簧結(jié)構(gòu)。支座養(yǎng)護(hù)時除常規(guī)項(xiàng)目外，只需定期對碟簧抹油潤滑處理即可，如發(fā)現(xiàn)部件有損壞，可進(jìn)行局部更換。

5 結(jié)語

本文應(yīng)用TRIZ理論對高速鐵路橋梁新型支座研發(fā)進(jìn)行了研究，取得了創(chuàng)新性成果。通過TRIZ理論中問題識別分析的相關(guān)工具，運(yùn)用物-場模型、技術(shù)矛盾、物理矛盾等問題求解方法，快速有效地找到符合實(shí)際需求地解決方案。成果獲得國家專利授權(quán)，并應(yīng)用于多座大跨度連續(xù)梁橋中，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)聯(lián)長在400m及以內(nèi)的鐵路大跨橋梁不設(shè)伸縮調(diào)節(jié)器，提升了高速列車運(yùn)營品質(zhì)。

新型支座的推廣應(yīng)用，將會減少養(yǎng)護(hù)維修工作量，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與線路方案，提升軌道平順性，帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

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（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）

作者簡介：崔旸（1991-），女，中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司工程師，研究方向：鐵路橋梁設(shè)計(jì)研究與數(shù)智化研發(fā)。