TRIZ理論在空間紐帶式異形鋼拱橋拱肋施工中的應(yīng)用

李勇波　譚健　易衛(wèi)平

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與橋梁建造水平的提高，城市景觀(guān)橋的功能、結(jié)構(gòu)、空間和美學(xué)需求也有了進(jìn)一步提升，造型各異的景觀(guān)橋梁層出不窮，驅(qū)動(dòng)著橋梁施工工藝不斷創(chuàng)新，并促進(jìn)了創(chuàng)新方法在建造領(lǐng)域的應(yīng)用。通過(guò)在空間紐帶式異形鋼拱橋拱肋施工中應(yīng)用TRIZ理論，成功解決了施工中的難題，產(chǎn)生了良好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益，為創(chuàng)新方法在其他工程施工中的應(yīng)用提供了示范。

關(guān)鍵詞：異形鋼拱橋；拱肋施工；TRIZ；創(chuàng)新方法

中圖分類(lèi)號(hào)：TU997文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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(yùn)路瀟河大橋主橋采用了斜跨空間紐帶拱橋體系，縱向立面上通過(guò)中間大拱斜跨、兩側(cè)小拱向外伸展變化的組合，運(yùn)用空間扭面拱腳構(gòu)造，將斜跨大拱和外傾小拱的力進(jìn)行轉(zhuǎn)化，由連接橫梁及主梁一起承擔(dān)。結(jié)構(gòu)形式新穎、造型變化獨(dú)特、結(jié)構(gòu)受力體系復(fù)雜、施工難度大。

TRIZ理論相關(guān)研究始于1946年，以G．S．Altshuller 為首的前蘇聯(lián)的研究團(tuán)隊(duì)分析了數(shù)萬(wàn)項(xiàng)專(zhuān)利，綜合多學(xué)科知識(shí)，提出創(chuàng)新問(wèn)題的一系列可遵循的原理和法則[1]。G．S．Altshuller 通過(guò)對(duì)上百萬(wàn)件發(fā)明專(zhuān)利的分析研究，抽出了40個(gè)發(fā)明創(chuàng)造所遵循的原理，成為 TRIZ 解決技術(shù)矛盾的關(guān)鍵[2]。通過(guò)在鋼拱肋的制造、加工、焊接、拼裝和吊裝過(guò)程中應(yīng)用創(chuàng)新方法，特別是TRIZ理論的發(fā)明原理，有效解決了施工過(guò)程難題。

1 工程概況

大運(yùn)路瀟河大橋主橋采用空間紐帶式異形鋼拱橋（圖1），主橋?qū)?6m，結(jié)構(gòu)體系為拱梁固結(jié)的系桿拱橋體系，跨徑布置為（65+110+110+65）m。主橋紐帶型拱肋由一片大主拱，兩片外傾副拱及其連接橫梁組成，拱肋采用拋物線(xiàn)拱。主拱由主橋東南側(cè)斜向跨越至西北側(cè)，并在邊拱拱腳處通過(guò)主梁下的拱肋端橫梁與副拱連接，主拱拱肋平面豎直，拱平面與縱橋向夾角為16.22°，跨度為229.12m，拱頂與橋面高差約57.25m。拱軸線(xiàn)主體段為拋物線(xiàn)，在拱平面內(nèi)矢高為56.5m，跨度為225m。主橋兩主跨分別布置有一片副拱，南側(cè)主跨副拱位于橋面西側(cè)，北側(cè)主跨副拱位于橋面東側(cè)，兩片副拱在中拱腳處由主梁下的拱肋中橫梁互相連接，在邊拱腳處由主梁下的拱肋端橫梁與主拱連接。兩片副拱構(gòu)造一致，關(guān)于主橋中心點(diǎn)呈180°斜對(duì)稱(chēng)。副拱拱肋平面外傾，與水平面夾角為65°，跨度為110m，拱頂與橋面高差約30m，拱軸線(xiàn)主體段為拋物線(xiàn)，在拱平面內(nèi)失高為30m，跨度為94m。

2 拱肋施工難點(diǎn)

2.1 鋼拱安裝難度大

主拱跨度達(dá)229.12m，最高吊裝高度為74.18m；副拱跨度達(dá)110m，最高吊裝高度為46.77m，同時(shí)副拱拱肋平面外傾，外傾角度為25°。大跨度、大高度的超大型構(gòu)件的安裝施工難度大[3]。

2.2 彎扭構(gòu)件加工制作難度大

主、副拱彎扭段壁板及中腹板單元為空間扭曲面的線(xiàn)型，造型奇特，且位置特殊，觀(guān)感質(zhì)量要求較高，鋼板厚40mm，加工制作難度大，精度難以控制[3]。

2.3 鋼拱節(jié)段吊裝、運(yùn)輸難度大

鋼拱拱肋采用封閉彎曲、彎扭箱型截面，最大副拱拱腳拱截面尺寸為9.3m×5.4m、最小副拱拱腳截面尺寸為4.0m×3.0m，均超出了當(dāng)?shù)毓愤\(yùn)輸允許尺寸范圍，拱肋彎扭段結(jié)構(gòu)異形、重量大，其中最大節(jié)段吊重為165t，施工難度和風(fēng)險(xiǎn)高。

3 創(chuàng)新方法運(yùn)用及施工流程

3.1 節(jié)段單位、板單元?jiǎng)澐?/p>

針對(duì)鋼拱拱肋整體自重及尺寸較大，難以整體施工作業(yè)的問(wèn)題，運(yùn)用TRIZ理論的分割原理，根據(jù)拱肋內(nèi)外部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和設(shè)計(jì)要求對(duì)拱肋進(jìn)行分段單元?jiǎng)澐?，在?duì)拱腳彎扭段分段劃分時(shí)避開(kāi)支座節(jié)點(diǎn)構(gòu)造和橫隔板位置，分段位置在相鄰橫隔板中間位置（圖2、圖3、圖4、圖5）。鑒于當(dāng)?shù)毓愤\(yùn)輸尺寸范圍仍小于最小節(jié)段單元截面尺寸，再次運(yùn)用分割原理，將節(jié)段單元分割成在公路運(yùn)輸尺寸限制范圍內(nèi)的板單元，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)組焊，并接拼成節(jié)段。接拼后的節(jié)段尺寸和重量在現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械能力范圍內(nèi)，長(zhǎng)度方向根據(jù)吊裝起重能力拆分中若干分段，板寬方向根據(jù)油壓機(jī)和卷板機(jī)進(jìn)料尺寸限制進(jìn)行拆分，拆分出的拼板縫與卷板機(jī)進(jìn)料方向正交。

3.2 鋼板下料

通過(guò)應(yīng)用TRIZ理論對(duì)資源進(jìn)行分析，鋼板切割下料采用等離子切割和火焰切割兩種切割工藝，等離子切割主要應(yīng)用于薄板切割，火焰切割主要應(yīng)用于厚板切割。運(yùn)用TRIZ理論的預(yù)先作用原理，根據(jù)板厚和質(zhì)量等級(jí)對(duì)坡口進(jìn)行預(yù)先處理并采用鋼板坡口機(jī)一次成型，保證后期焊接質(zhì)量和連接強(qiáng)度。

3.3 板單位制作

拱腳彎扭段扭曲壁板單元采用壓力機(jī)進(jìn)行彎曲度加工。加工前，通過(guò)運(yùn)用TRIZ理論的預(yù)先作用原理和反向原理，制作木質(zhì)樣箱（圖6），樣箱的外表面與鋼拱壁板的內(nèi)表面各項(xiàng)形狀參數(shù)一致，即鋼拱理論表面。通過(guò)剖面選取與展開(kāi)制作樣箱定制，為保證線(xiàn)形，運(yùn)用TRIZ理論的預(yù)先防范原理增加輔助剖面，保證樣箱結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，防止使用過(guò)程中變形。

鋼板點(diǎn)壓完成后，通過(guò)運(yùn)用TRIZ理論的反饋原理，采用木質(zhì)樣箱進(jìn)行檢測(cè)，主要檢測(cè)壁板加工后的形狀參數(shù)，將加工好的鋼板吊入實(shí)體樣箱上，檢查壁板和樣箱之間密貼程度（圖7），通過(guò)“點(diǎn)壓→校核→點(diǎn)壓”的流程，直至樣箱表面與鋼板表面密貼。

3.4 板單元預(yù)拼裝

由于拱腳彎扭段板單元扭曲度大，加工精度要求高，運(yùn)用TRIZ理論的預(yù)先作用原理，在廠(chǎng)內(nèi)對(duì)拱腳彎扭段板單元進(jìn)行裝配焊接前先進(jìn)行預(yù)拼裝（圖8）。首先制作焊接胎架，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，采用型鋼制作板進(jìn)行單元預(yù)拼、焊接胎架，胎架高度根據(jù)板單元的扭曲程度確定，保證板單元焊接過(guò)程中的穩(wěn)定及線(xiàn)形控制。然后進(jìn)行焊接預(yù)拼，在拼裝胎架上安放同一曲面上的所有板單元，檢查拼縫錯(cuò)邊情況，在拼裝精度調(diào)整合格后，通過(guò)運(yùn)用TRIZ理論的未達(dá)到或過(guò)度的作用原理，焊接勁板，在拼縫處留設(shè)嵌補(bǔ)段，以便現(xiàn)場(chǎng)焊接。

3.5 現(xiàn)場(chǎng)節(jié)段組拼

板單元運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)的拼裝場(chǎng)地內(nèi)，通過(guò)吊裝設(shè)備將板單元組拼成吊裝節(jié)段。

彎扭段焊接時(shí)，運(yùn)用TRIZ理論的惰性環(huán)境原理，箱體內(nèi)部焊縫采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，先焊豎向角焊縫，后焊平角焊縫，并采用雙數(shù)焊工進(jìn)行對(duì)稱(chēng)焊接。通過(guò)運(yùn)用TRIZ理論對(duì)資源進(jìn)行分析，根據(jù)不同的情況選擇合適的焊接方法，當(dāng)箱體彎扭程度較大時(shí)，箱體組合焊縫采用CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)行焊接，焊縫較長(zhǎng)時(shí)應(yīng)采用分段退焊法并采用雙數(shù)焊工對(duì)稱(chēng)施焊。當(dāng)箱體彎扭程度較小時(shí)，采用自動(dòng)CO2焊接小車(chē)進(jìn)行焊接，焊縫較長(zhǎng)時(shí)應(yīng)采用分段退焊法并采用雙數(shù)焊工對(duì)稱(chēng)施焊。當(dāng)箱體彎扭較為平緩時(shí)，采用雙弧雙絲打底焊接，中間和面層采用埋弧焊進(jìn)行焊接，使焊縫盡量美觀(guān)。

節(jié)段組拼胎架制作時(shí)，運(yùn)用TRIZ理論的預(yù)先防范原理，胎架的結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)胎架所承載的荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)與校核后確定，保證胎架有足夠的剛度，不隨拼裝重量的增加而變形。拱腳彎扭段組拼胎架設(shè)置前，應(yīng)先在地面上劃出底板投影位置線(xiàn)以及橫隔板位置線(xiàn)，根據(jù)投影線(xiàn)位置，布置胎架支撐和模板。

分別按順序?qū)?jié)段底板單元、隔板單元、腹板單元、頂板單元進(jìn)行安裝，完成節(jié)段組拼。在節(jié)段脫胎前，進(jìn)行彎扭節(jié)段的整體檢測(cè)，確保節(jié)段加工精度。

3.6 鋼拱支架施工

拱肋拼裝采用分節(jié)段原位拼裝，鋼拱肋分段安裝采用格構(gòu)式臨時(shí)支撐，彎扭段及前兩節(jié)段的臨時(shí)支撐落在鋼箱梁范圍外，其余部位均落在鋼箱梁上。落在鋼箱梁外臨時(shí)支撐采用4根鋼管樁，通過(guò)轉(zhuǎn)換平臺(tái)轉(zhuǎn)換為格構(gòu)式臨時(shí)支撐（圖9），落在鋼箱梁范圍內(nèi)臨時(shí)支撐通過(guò)轉(zhuǎn)換梁落在鋼箱梁橫隔板上?？拷丈砀浇匿摴芰⒅c承臺(tái)上預(yù)埋的鋼板進(jìn)行焊接。為保證支座橫向受力均勻，應(yīng)對(duì)鋼橫梁焊接順序及時(shí)機(jī)與支架落架時(shí)機(jī)進(jìn)行控制[4]。鋼管立柱之間設(shè)置鋼管作為縱、橫向連接系。落地、梁上組合支架采用整體安拆在地面加工制作成整體，采用700t履帶吊整體吊裝安裝（圖10）。

3.7 鋼拱拱肋節(jié)段吊裝

鋼拱拱腳彎扭節(jié)段組拼完成后（圖11），采用QUY700吊機(jī)進(jìn)行橋位安裝（圖12）。

由于拱肋空間姿態(tài)復(fù)雜，每個(gè)節(jié)段均為空間扭轉(zhuǎn)角度，各個(gè)節(jié)段的重心位置均不相同，對(duì)安裝精度要求高。運(yùn)用TRIZ理論的預(yù)先作用原理，建立拱肋三維空間模型，找出各個(gè)節(jié)段拱肋的重心位置，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬空間放樣，確定吊點(diǎn)位置、起吊鋼絲繩長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)拱肋在自重作用下形成與設(shè)計(jì)傾角一致的傾角。

履帶吊就位后，確定拱肋節(jié)段最佳安裝角度及作業(yè)半徑，通過(guò)采用空間維數(shù)變化原理將拱肋節(jié)段按照安裝到位時(shí)的方向、角度吊離地面，同時(shí)完成鋼拱肋節(jié)段空間姿態(tài)調(diào)整 并進(jìn)行測(cè)量較核修正。

采用建立三維模型方式獲取鋼拱安裝的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)以及通過(guò)測(cè)量調(diào)整對(duì)鋼拱線(xiàn)形進(jìn)行控制。

3.8 合龍段的量配與焊接

除合龍段外的所有節(jié)段吊裝、焊接完成后，測(cè)量合龍口的距離。根據(jù)測(cè)量結(jié)果求出跨中合龍段的配切長(zhǎng)度，根據(jù)監(jiān)控指令，同時(shí)為減少溫度導(dǎo)致熱脹冷縮的不利影響，運(yùn)用TRIZ理論的減少有害作用時(shí)間的原理，在規(guī)定的溫度下，用同一把鋼盤(pán)尺，依據(jù)已確定的配切長(zhǎng)度劃線(xiàn)切除合龍段的合龍端頭余量，并修磨焰切邊。場(chǎng)地吊裝合龍后，按照相同的焊接順序同時(shí)施焊各接口的環(huán)縫，再焊板條肋，通過(guò)運(yùn)用TRIZ理論的拋棄或再生原理，拆除臨時(shí)連接件。

3.9 鋼拱合龍段連接

鋼拱合龍段制作完成后，運(yùn)用TRIZ理論的減少有害作用時(shí)間的原理，在特定的時(shí)間段進(jìn)行該段的吊裝、定位與連接（圖13），避免焊縫定位精度和合龍過(guò)程受溫度的影響[5]。

3.10 鋼拱支架拆除

鋼拱合龍焊接完成后，即可進(jìn)行鋼拱支架的拆除（圖14）。鋼拱支架拆除按照先主拱后副拱，由中間向兩邊的順序進(jìn)行。考慮鋼拱自平衡特性，僅保留拱腳彎扭段支架待吊桿安裝后拆除。

支架拆除前先落架，按照從中間往兩邊的順序進(jìn)行，落架完成后利用吊車(chē)整體拆除。

4 結(jié)語(yǔ)

TRIZ理論成功應(yīng)用于大運(yùn)路瀟河大橋空間紐帶式異形鋼拱拱肋制造、運(yùn)輸、安裝等過(guò)程中，解決了空間紐帶式異形鋼拱鋼拱安裝難度大、彎扭構(gòu)件加工制作精度要求高等問(wèn)題，使大運(yùn)路瀟河大橋關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)工期和工程質(zhì)量得到了保證，為其他工程施工提供了借鑒。結(jié)果表明，TRIZ理論

在建造領(lǐng)域的推廣應(yīng)用前景廣闊，對(duì)智能建造的高質(zhì)量發(fā)展有良好的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]牛占文，徐燕申，林岳，等.發(fā)明創(chuàng)造的科學(xué)方法論——TRIZ[J].中國(guó)機(jī)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］陳璐嵩，王振坤，張偉，等.太原大運(yùn)路瀟河大橋鋼拱施工技術(shù)[C]//清華大學(xué)，東南大學(xué)，中國(guó)建設(shè)科技集團(tuán)股份有限公司，中國(guó)建筑集團(tuán)有限公司，中國(guó)中建設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司.北京：第八屆全國(guó)鋼結(jié)構(gòu)工程技術(shù)交流會(huì)論文集.2020：334-338.

［4］王斌.異形拱-梁組合體系橋梁施工技術(shù)研究[J].山西建筑，2021，47（3）：145-147.

［5］張敏.大瑞鐵路怒江特大橋鋼桁拱多桿件合龍施工技術(shù)研究[J].中國(guó)水能及電氣化，2021（11）：14-18.

（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：李勇波（1979-），男，中鐵大橋局第七工程有限公司正高級(jí)工程師，研究方向：橋梁工程。