多幅路緩和曲線與超高過(guò)渡設(shè)計(jì)新思路

林志英

(湖南理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院,湖南 岳陽(yáng) 414006)

多幅路緩和曲線與超高過(guò)渡設(shè)計(jì)新思路

林志英

(湖南理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院,湖南 岳陽(yáng) 414006)

在多幅路設(shè)計(jì)中,由于內(nèi)外側(cè)路面的超高旋轉(zhuǎn)軸不同、路面橫坡的變化范圍不一致,使得內(nèi)外側(cè)路面的超高過(guò)渡計(jì)算有差異.文章主要探討了多幅路的緩和曲線長(zhǎng)度與超高過(guò)渡段之間的關(guān)系,并通過(guò)工程實(shí)例指出,為保證線形協(xié)調(diào)和超高漸變率滿足要求,超高過(guò)渡段與緩和曲線長(zhǎng)可取不同數(shù)值,內(nèi)外側(cè)路面的超高過(guò)渡段也可采用不同數(shù)值.

多幅路; 超高過(guò)渡; 緩和曲線

1 問(wèn)題的提出

在道路路線設(shè)計(jì)中,平曲線是其中的一個(gè)重點(diǎn).目前設(shè)計(jì)工作中,使用較多的是采用緯地等軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,每個(gè)轉(zhuǎn)角處的平曲線半徑和緩和曲線長(zhǎng)度仍然需要設(shè)計(jì)者根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行確定.

緩和曲線的長(zhǎng)度通常要滿足以下幾個(gè)方面的要求: 駕駛員駕駛操作、超高漸變率、離心加速度變化率和視覺(jué)條件.

一方面,在目前的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范中,涉及到緩和曲線長(zhǎng)度的相關(guān)條文有些在設(shè)計(jì)中是可以靈活應(yīng)用的;另一方面,緩和曲線長(zhǎng)度的確定還需要考慮超高過(guò)渡和加寬過(guò)渡,這些都影響到了緩和曲線長(zhǎng)度的大小.因此,在確定緩和曲線長(zhǎng)度時(shí),考慮的側(cè)重點(diǎn)不同,計(jì)算結(jié)果也會(huì)不同.這就需要設(shè)計(jì)者能進(jìn)行優(yōu)劣比較,選擇一個(gè)最優(yōu)的緩和曲線長(zhǎng).緩和段一般包括: ①曲率變化過(guò)渡段; ②橫向坡度變化的緩和段; ③加寬緩和段[1].

目前高校教材中主要針對(duì)的是雙車道公路的計(jì)算情況,而高速公路、一級(jí)公路由于旋轉(zhuǎn)軸位置的不同,路面寬度的不同,在進(jìn)行緩和曲線長(zhǎng)度和超高值計(jì)算時(shí)也有所不同,并且難于雙車道公路.因此,本文主要結(jié)合工程實(shí)例,對(duì)均滿足規(guī)范要求的不同緩和曲線的取值設(shè)計(jì)進(jìn)行比較.

2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定

《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)規(guī)定如下[1,2]:

(1)回旋線長(zhǎng)度應(yīng)隨圓曲線半徑的增大而增大,圓曲線按規(guī)定需設(shè)置超高時(shí),回旋線長(zhǎng)度還應(yīng)大于超高過(guò)渡段長(zhǎng)度.

(2)由直線段的雙向路拱橫斷面逐漸過(guò)渡到圓曲線段的全超高單向橫斷面,其間必須設(shè)置超高過(guò)渡段,超高漸變率可按照規(guī)范取值.

(3)超高的過(guò)渡應(yīng)在回旋線全長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行.當(dāng)回旋線較長(zhǎng)時(shí),超高過(guò)渡段可設(shè)在回旋線的某一區(qū)段范圍內(nèi),其超高過(guò)渡段的縱向漸變率不得小于1/330,全超高斷面宜設(shè)在緩圓點(diǎn)或圓緩點(diǎn)處.

3 常用緩和曲線設(shè)計(jì)模式

根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》,目前道路勘測(cè)設(shè)計(jì)教材中關(guān)于緩和曲線長(zhǎng)度與超高漸變率的計(jì)算,主要是針對(duì)雙車道公路,高速公路的相關(guān)計(jì)算并無(wú)固定公式.可根據(jù)計(jì)算原理推導(dǎo)高速公路設(shè)計(jì)計(jì)算情況.目前設(shè)計(jì)中常用緩和曲線最小長(zhǎng)度確定方法,主要從以下幾個(gè)方面計(jì)算[3,4,5].

3.1 離心加速度的變化率

我國(guó)公路計(jì)算規(guī)范一般建議離心加速變化率αs≤0.6m/s2,推導(dǎo)出

其中Ls為緩和曲線最小長(zhǎng)度,m; V為計(jì)算行車速度,Km/h; R為圓曲線半徑,m.

3.2 駕駛員的操作及反應(yīng)時(shí)間

一般認(rèn)為汽車在緩和曲線上的行駛時(shí)間至少應(yīng)有3s,按3s行程確定緩和曲線最小長(zhǎng)度.

3.3 超高漸變率

超高漸變率是在超高過(guò)渡階段,路面外側(cè)抬高過(guò)程中形成的附加坡度.對(duì)于不同的超高過(guò)渡情況,規(guī)范對(duì)其最大值的規(guī)定要求不同.

3.3.1 繞行車道內(nèi)側(cè)旋轉(zhuǎn)

對(duì)于雙車道公路,可以以行車道內(nèi)側(cè)邊緣為旋轉(zhuǎn)軸,緩和曲線最小長(zhǎng)度計(jì)算公式為

其中B為路面寬度; ib為超高橫坡度; p為超高漸變率.

3.3.2 繞中心線旋轉(zhuǎn)

當(dāng)超高過(guò)渡繞中心線旋轉(zhuǎn)時(shí),緩和曲線最小長(zhǎng)度計(jì)算公式為

其中ih為路拱橫坡度.

3.4 視覺(jué)條件

緩和曲線角適宜的角度范圍在3°～29°內(nèi),由此可以推導(dǎo)出緩和曲線的長(zhǎng)度Ls滿足

當(dāng)R小于100m或大于3000m時(shí),緩和曲線大小可不受此限制.

在設(shè)計(jì)過(guò)程中,設(shè)計(jì)者通常從以上四個(gè)方面來(lái)進(jìn)行計(jì)算,但視覺(jué)條件的重要性要弱于其他三個(gè)方面.目前我國(guó)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的緩和曲線最小長(zhǎng)度主要是從司機(jī)駕駛操作角度出發(fā)確定的.因此,有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者在確定緩和曲線長(zhǎng)時(shí),應(yīng)從幾個(gè)方面綜合進(jìn)行確定,選擇其最大值作為緩和曲線長(zhǎng)度的最小值.

3.5 線形協(xié)調(diào)

在滿足以上條件后,從線形協(xié)調(diào)性的角度出發(fā),可將回旋線、圓曲線、回旋線之長(zhǎng)度比設(shè)計(jì)成 1:1:1,或采用1:2:1,對(duì)應(yīng)的緩和曲線長(zhǎng)度Ls和圓曲線半徑R之間有下面的關(guān)系:

其中α為轉(zhuǎn)角大小.

以上五個(gè)方面中,前三個(gè)方面更重要,應(yīng)盡量滿足,后兩個(gè)方面屬于較高標(biāo)準(zhǔn),可靈活運(yùn)用.

3.6 多幅路超高過(guò)渡段與緩和曲線長(zhǎng)度的確定

由于從超高漸變率的要求推算的緩和曲線最小長(zhǎng)度計(jì)算公式主要是針對(duì)雙車道公路,高速公路由于旋轉(zhuǎn)軸和漸變方式不同,計(jì)算方法也不盡相同.以下推導(dǎo)主要針對(duì)當(dāng)超高過(guò)渡繞中央分隔帶的邊緣旋轉(zhuǎn)時(shí),高速公路的緩和曲線長(zhǎng)度計(jì)算公式如何確定.為簡(jiǎn)化計(jì)算,僅考慮左側(cè)路緣帶和行車道部分,硬路肩(包括右側(cè)路緣帶)的變化不在本文中分析.

如圖 1所示,由于高速公路內(nèi)外側(cè)車道的坡度方向不同,因此,在計(jì)算超高過(guò)渡與緩和曲線長(zhǎng)時(shí),要區(qū)分內(nèi)側(cè)車道和外側(cè)車道.

圖1 多幅路行車道超高過(guò)渡示意圖

3.6.1 外側(cè)車道

對(duì)外側(cè)車道而言,超高變化過(guò)程是從向外側(cè)傾斜的路拱橫坡逐漸變化成向內(nèi)側(cè)傾斜的超高橫坡度.其變化幅度較大,從旋轉(zhuǎn)軸到行車道外側(cè)的寬度包括左側(cè)路緣帶和單側(cè)車道寬.因此,外側(cè)行車道邊緣在超高漸變過(guò)程中逐漸抬高所產(chǎn)生的相對(duì)高差計(jì)算公式為

其中hw為外側(cè)抬高的相對(duì)高度; b為左側(cè)路緣帶寬度; c為一條車道寬; n為單側(cè)車道數(shù); ib為超高橫坡度;ih為路拱橫坡度.

由此推導(dǎo)出從超高漸變率p反算緩和曲線長(zhǎng)度為

雖然超高是繞中央分隔帶邊緣進(jìn)行,但就單向車道而言,中央分隔帶邊緣在邊線上,因此,選取超高橫坡度應(yīng)選擇規(guī)范中的邊線一欄.

3.6.2 內(nèi)側(cè)車道

對(duì)內(nèi)側(cè)車道而言,超高的過(guò)渡是從向內(nèi)側(cè)傾斜的路拱橫坡逐漸抬高為向內(nèi)側(cè)傾斜的超高橫坡.當(dāng)圓曲線半徑較大時(shí),超高橫坡度等于路拱橫坡度時(shí),內(nèi)側(cè)路面無(wú)需變化.內(nèi)側(cè)車道的內(nèi)邊緣抬高的相對(duì)高差hn為

①與內(nèi)側(cè)車道超高漸變率一致

如果內(nèi)側(cè)車道的超高漸變率與外側(cè)車道一致,則內(nèi)側(cè)車道的超高過(guò)渡段長(zhǎng)度小于外側(cè)車道的超高過(guò)渡段長(zhǎng)度.超高過(guò)渡段長(zhǎng)度Lc的計(jì)算公式為

從超高漸變率的角度出發(fā),應(yīng)考慮外側(cè)車道的情況確定緩和曲線最小長(zhǎng)度值.內(nèi)側(cè)車道的超高過(guò)渡可以只在緩和曲線部分長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行,也可以在緩和曲線全長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行.

若超高過(guò)渡段只在緩和曲線部分長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行,其長(zhǎng)度計(jì)算公式同式(9).

②在緩和曲線全長(zhǎng)范圍內(nèi)過(guò)渡

若內(nèi)側(cè)車道在緩和曲線全長(zhǎng)范圍內(nèi)設(shè)置超高過(guò)渡段,對(duì)應(yīng)的超高漸變率大小為

當(dāng)緩和曲線長(zhǎng)度較大時(shí),p值會(huì)比較小,因此在設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中,還需驗(yàn)算p值是否滿足最小值1/330的要求.若不滿足要求,則需重新進(jìn)行調(diào)整.

4 工程實(shí)例

某高速公路,設(shè)計(jì)速度為 120km/h,雙向四車道,一條車道寬 3.75m,路緣帶寬度 0.5m,路拱橫坡為2%,平面線形設(shè)計(jì)階段,某轉(zhuǎn)點(diǎn)為右轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)角大小為23°16′48″,圓曲線半徑定為2000m,超高橫坡度推薦取值4%.緩和曲線長(zhǎng)度計(jì)算如下:

從線形協(xié)調(diào)角度出發(fā),緩和曲線長(zhǎng)度可以取

因此,緩和曲線長(zhǎng)度取值可以有以下兩種情況:

(1)綜合以上五個(gè)方面,最終緩和曲線長(zhǎng)度可取270m.

(2)視覺(jué)條件和線形協(xié)調(diào)是標(biāo)準(zhǔn)較高的要求,可以靈活運(yùn)用,如果只考慮前三個(gè)條件,緩和曲線長(zhǎng)度取值可以定為100m.

現(xiàn)就以上兩種情況分別進(jìn)行設(shè)計(jì).

4.1 方案一: 緩和曲線長(zhǎng)度考慮視覺(jué)條件和線形協(xié)調(diào),取270m.

4.1.1 外側(cè)車道

(1)外側(cè)車道的超高過(guò)渡若在緩和曲線全長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行,則

不滿足1/330的最小值要求.

(2)外側(cè)車道的超高過(guò)渡在緩和曲線部分長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行.

可以按照以上計(jì)算得到的96m取值,此時(shí),超高漸變率為1/200.

4.1.2 內(nèi)側(cè)車道

(1)若內(nèi)側(cè)車道超高過(guò)渡在緩和曲線全長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行,其超高漸變率為

不滿足1/330的最小值要求.

因此,內(nèi)側(cè)車道可考慮在緩和曲線部分長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行.

(2)在緩和曲線部分長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行

按照1/330的最小超高漸變率的要求,內(nèi)側(cè)車道的超高過(guò)渡段長(zhǎng)度最大為

取與外側(cè)車道相同的超高漸變率,即規(guī)范規(guī)定的最大超高漸變率

最終可取50m.

4.2 方案二: 緩和曲線長(zhǎng)度取100m.

4.2.1 外側(cè)車道

若超高過(guò)渡安排在緩和曲線全長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行,則超高漸變率p的取值為

滿足1/330的最小值要求,超高過(guò)渡可在緩和曲線全長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行.

4.2.2 內(nèi)側(cè)車道

(1)超高過(guò)渡在緩和曲線全長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行,則

不滿足1/330的最小值要求.

因此,內(nèi)側(cè)車道可考慮在緩和曲線部分長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行.

(2)在緩和曲線部分長(zhǎng)度范圍內(nèi)進(jìn)行

計(jì)算公式與第一種方案相同,內(nèi)側(cè)超高過(guò)渡段長(zhǎng)度按照1/330的超高漸變率,最大可取50m.

4.3 方案比較

4.3.1 方案一

缺點(diǎn): 如果超高過(guò)渡在緩和曲線全長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行,行車道內(nèi)側(cè)、外側(cè)超高漸變率均較小.不滿足超高漸變率不得小于0.3%的要求,因此超高過(guò)渡可考慮在緩和曲線部分范圍內(nèi)進(jìn)行.

優(yōu)點(diǎn): 緩和曲線較長(zhǎng),線形協(xié)調(diào)性好.

4.3.2 方案二

缺點(diǎn): 緩和曲線角較小,平曲線相對(duì)較長(zhǎng),線形協(xié)調(diào)性較差.

優(yōu)點(diǎn): 在緩和曲線全長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行超高過(guò)渡時(shí),仍能取得較滿意的超高漸變率,滿足排水要求.

5 結(jié)論

(1)在進(jìn)行多幅路的緩和曲線長(zhǎng)度與超高過(guò)渡段計(jì)算時(shí),為同時(shí)保證線形協(xié)調(diào)和排水要求,建議緩和曲線長(zhǎng)度與超高過(guò)渡段長(zhǎng)度采用不同的取值.超高過(guò)渡可以不在緩和曲線全長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行.

(2)內(nèi)側(cè)車道和外側(cè)車道取不同的超高過(guò)渡段長(zhǎng)度,需要分開(kāi)進(jìn)行計(jì)算,內(nèi)側(cè)車道的超高過(guò)渡段長(zhǎng)度可根據(jù)最大最小超高漸變率確定.

6 問(wèn)題衍生

(1)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》中指出: 設(shè)計(jì)中對(duì)有硬路肩的公路,在進(jìn)行 B值計(jì)算時(shí),應(yīng)將硬路肩的寬度包括在內(nèi),此時(shí)超高過(guò)渡段長(zhǎng)度 Lc將有所增加.目前,高等級(jí)道路硬路肩的超高過(guò)渡,并無(wú)統(tǒng)一規(guī)定.因此本文的寬度計(jì)算中沒(méi)有包括右側(cè)硬路肩和右側(cè)路緣帶,若考慮硬路肩的變化,計(jì)算公式應(yīng)進(jìn)行修正.

(2)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》中指出: 高速公路、一級(jí)公路,為避免排水不良現(xiàn)象,還可以將行車道中間抬高,增設(shè)路拱線,以達(dá)到減小流水行程,從而減輕路面積水的目的.

在行車道中間增設(shè)路拱線,也就是部分車道設(shè)計(jì)成反超高形式,是否會(huì)影響到行車安全,產(chǎn)生側(cè)滑或翻車現(xiàn)象,有待分析.

(3)《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定超高過(guò)渡過(guò)程中漸變率均應(yīng)大于 1/330,但在超高過(guò)渡的旋轉(zhuǎn)階段,由于橫坡度較大,路面排水能滿足要求.因此,最小超高漸變率要求主要體現(xiàn)在超高過(guò)渡的雙坡階段,一種新的設(shè)計(jì)情況思路是: 多幅路的內(nèi)外側(cè)超高過(guò)渡均可在緩和曲線全長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行,超高過(guò)渡段長(zhǎng)度可以與緩和曲線長(zhǎng)度保持一致,但超高過(guò)渡段雙坡階段和旋轉(zhuǎn)階段所采用的漸變率不一致,內(nèi)側(cè)車道和外側(cè)車道的漸變率也不相同.

(4)硬路肩可隨行車道一起變化,也可單獨(dú)繞外側(cè)行車道邊緣(硬路肩內(nèi)邊緣)變化,若考慮在內(nèi),則相應(yīng)計(jì)算公式應(yīng)進(jìn)行修正.

[1]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTG B01-2014 公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京: 人民交通出版社,2014: 79

[2]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTG D20-2006 公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京: 人民交通出版社,2006: 29～31

[3]曹春陽(yáng).道路勘測(cè)設(shè)計(jì)[M].北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社,2013: 49～51

[4]趙永平,唐 勇.道路勘測(cè)設(shè)計(jì)[M].北京: 高等教育出版社,2013: 69～72

[5]楊少偉.道路勘測(cè)設(shè)計(jì)[M].北京: 人民交通出版社,2012: 41～42

New Ideas of Multiple-road’s Transition-Curve and Superelevation-Transition Design

LIN Zhiying
(College of Civil Engineering and Architecture,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006,China)

In multiple-road design,the superelevation rotating shaft is different between the inner and outer surface,along with inconsistent range road cross slope,so that the calculation of the inner and outer surface of the superelevation-transition calculate is different.We mainly explored the relationship between the length of transition-curve and the superelevation-transition of multiple-road,then through the engineering examples,indicated that in order to make sure the coordination and superelevation-gradient-ratio could meet the requirements,the superelevation- transition-section and transition-curve long may take different values,superelevation-transition -section inside and outside of the road may also be different values.

multiple-road,superelevation-transition,transition-curve

U412.33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 1672-5298(2017)02-0049-06

2016-12-18

湖南省教育廳一般科學(xué)研究項(xiàng)目(16C024)

林志英(1978- ),女,湖北麻城人,碩士,湖南理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院講師.主要研究方向: 道路設(shè)計(jì)及交通工程