多幅路缓和曲线与超高过渡设计新思路

林志英

(湖南理工学院 土木建筑工程学院,湖南 岳阳 414006)

多幅路缓和曲线与超高过渡设计新思路

林志英

(湖南理工学院 土木建筑工程学院,湖南 岳阳 414006)

在多幅路设计中,由于内外侧路面的超高旋转轴不同、路面横坡的变化范围不一致,使得内外侧路面的超高过渡计算有差异.文章主要探讨了多幅路的缓和曲线长度与超高过渡段之间的关系,并通过工程实例指出,为保证线形协调和超高渐变率满足要求,超高过渡段与缓和曲线长可取不同数值,内外侧路面的超高过渡段也可采用不同数值.

多幅路; 超高过渡; 缓和曲线

1 问题的提出

在道路路线设计中,平曲线是其中的一个重点.目前设计工作中,使用较多的是采用纬地等软件进行设计计算,每个转角处的平曲线半径和缓和曲线长度仍然需要设计者根据相关标准和规范进行确定.

缓和曲线的长度通常要满足以下几个方面的要求: 驾驶员驾驶操作、超高渐变率、离心加速度变化率和视觉条件.

一方面,在目前的标准和规范中,涉及到缓和曲线长度的相关条文有些在设计中是可以灵活应用的;另一方面,缓和曲线长度的确定还需要考虑超高过渡和加宽过渡,这些都影响到了缓和曲线长度的大小.因此,在确定缓和曲线长度时,考虑的侧重点不同,计算结果也会不同.这就需要设计者能进行优劣比较,选择一个最优的缓和曲线长.缓和段一般包括: ①曲率变化过渡段; ②横向坡度变化的缓和段; ③加宽缓和段[1].

目前高校教材中主要针对的是双车道公路的计算情况,而高速公路、一级公路由于旋转轴位置的不同,路面宽度的不同,在进行缓和曲线长度和超高值计算时也有所不同,并且难于双车道公路.因此,本文主要结合工程实例,对均满足规范要求的不同缓和曲线的取值设计进行比较.

2 标准规范的相关规定

《公路工程技术标准》和《公路路线设计规范》中有关规定如下[1,2]:

(1)回旋线长度应随圆曲线半径的增大而增大,圆曲线按规定需设置超高时,回旋线长度还应大于超高过渡段长度.

(2)由直线段的双向路拱横断面逐渐过渡到圆曲线段的全超高单向横断面,其间必须设置超高过渡段,超高渐变率可按照规范取值.

(3)超高的过渡应在回旋线全长范围内进行.当回旋线较长时,超高过渡段可设在回旋线的某一区段范围内,其超高过渡段的纵向渐变率不得小于1/330,全超高断面宜设在缓圆点或圆缓点处.

3 常用缓和曲线设计模式

根据《公路工程技术标准》和《公路路线设计规范》,目前道路勘测设计教材中关于缓和曲线长度与超高渐变率的计算,主要是针对双车道公路,高速公路的相关计算并无固定公式.可根据计算原理推导高速公路设计计算情况.目前设计中常用缓和曲线最小长度确定方法,主要从以下几个方面计算[3,4,5].

3.1 离心加速度的变化率

我国公路计算规范一般建议离心加速变化率αs≤0.6m/s2,推导出

其中Ls为缓和曲线最小长度,m; V为计算行车速度,Km/h; R为圆曲线半径,m.

3.2 驾驶员的操作及反应时间

一般认为汽车在缓和曲线上的行驶时间至少应有3s,按3s行程确定缓和曲线最小长度.

3.3 超高渐变率

超高渐变率是在超高过渡阶段,路面外侧抬高过程中形成的附加坡度.对于不同的超高过渡情况,规范对其最大值的规定要求不同.

3.3.1 绕行车道内侧旋转

对于双车道公路,可以以行车道内侧边缘为旋转轴,缓和曲线最小长度计算公式为

其中B为路面宽度; ib为超高横坡度; p为超高渐变率.

3.3.2 绕中心线旋转

当超高过渡绕中心线旋转时,缓和曲线最小长度计算公式为

其中ih为路拱横坡度.

3.4 视觉条件

缓和曲线角适宜的角度范围在3°～29°内,由此可以推导出缓和曲线的长度Ls满足

当R小于100m或大于3000m时,缓和曲线大小可不受此限制.

在设计过程中,设计者通常从以上四个方面来进行计算,但视觉条件的重要性要弱于其他三个方面.目前我国《公路路线设计规范》中规定的缓和曲线最小长度主要是从司机驾驶操作角度出发确定的.因此,有经验的设计者在确定缓和曲线长时,应从几个方面综合进行确定,选择其最大值作为缓和曲线长度的最小值.

3.5 线形协调

在满足以上条件后,从线形协调性的角度出发,可将回旋线、圆曲线、回旋线之长度比设计成 1:1:1,或采用1:2:1,对应的缓和曲线长度Ls和圆曲线半径R之间有下面的关系:

其中α为转角大小.

以上五个方面中,前三个方面更重要,应尽量满足,后两个方面属于较高标准,可灵活运用.

3.6 多幅路超高过渡段与缓和曲线长度的确定

由于从超高渐变率的要求推算的缓和曲线最小长度计算公式主要是针对双车道公路,高速公路由于旋转轴和渐变方式不同,计算方法也不尽相同.以下推导主要针对当超高过渡绕中央分隔带的边缘旋转时,高速公路的缓和曲线长度计算公式如何确定.为简化计算,仅考虑左侧路缘带和行车道部分,硬路肩(包括右侧路缘带)的变化不在本文中分析.

如图 1所示,由于高速公路内外侧车道的坡度方向不同,因此,在计算超高过渡与缓和曲线长时,要区分内侧车道和外侧车道.

图1 多幅路行车道超高过渡示意图

3.6.1 外侧车道

对外侧车道而言,超高变化过程是从向外侧倾斜的路拱横坡逐渐变化成向内侧倾斜的超高横坡度.其变化幅度较大,从旋转轴到行车道外侧的宽度包括左侧路缘带和单侧车道宽.因此,外侧行车道边缘在超高渐变过程中逐渐抬高所产生的相对高差计算公式为

其中hw为外侧抬高的相对高度; b为左侧路缘带宽度; c为一条车道宽; n为单侧车道数; ib为超高横坡度;ih为路拱横坡度.

由此推导出从超高渐变率p反算缓和曲线长度为

虽然超高是绕中央分隔带边缘进行,但就单向车道而言,中央分隔带边缘在边线上,因此,选取超高横坡度应选择规范中的边线一栏.

3.6.2 内侧车道

对内侧车道而言,超高的过渡是从向内侧倾斜的路拱横坡逐渐抬高为向内侧倾斜的超高横坡.当圆曲线半径较大时,超高横坡度等于路拱横坡度时,内侧路面无需变化.内侧车道的内边缘抬高的相对高差hn为

①与内侧车道超高渐变率一致

如果内侧车道的超高渐变率与外侧车道一致,则内侧车道的超高过渡段长度小于外侧车道的超高过渡段长度.超高过渡段长度Lc的计算公式为

从超高渐变率的角度出发,应考虑外侧车道的情况确定缓和曲线最小长度值.内侧车道的超高过渡可以只在缓和曲线部分长度范围内进行,也可以在缓和曲线全长范围内进行.

若超高过渡段只在缓和曲线部分长度范围内进行,其长度计算公式同式(9).

②在缓和曲线全长范围内过渡

若内侧车道在缓和曲线全长范围内设置超高过渡段,对应的超高渐变率大小为

当缓和曲线长度较大时,p值会比较小,因此在设计计算过程中,还需验算p值是否满足最小值1/330的要求.若不满足要求,则需重新进行调整.

4 工程实例

某高速公路,设计速度为 120km/h,双向四车道,一条车道宽 3.75m,路缘带宽度 0.5m,路拱横坡为2%,平面线形设计阶段,某转点为右转,转角大小为23°16′48″,圆曲线半径定为2000m,超高横坡度推荐取值4%.缓和曲线长度计算如下:

从线形协调角度出发,缓和曲线长度可以取

因此,缓和曲线长度取值可以有以下两种情况:

(1)综合以上五个方面,最终缓和曲线长度可取270m.

(2)视觉条件和线形协调是标准较高的要求,可以灵活运用,如果只考虑前三个条件,缓和曲线长度取值可以定为100m.

现就以上两种情况分别进行设计.

4.1 方案一: 缓和曲线长度考虑视觉条件和线形协调,取270m.

4.1.1 外侧车道

(1)外侧车道的超高过渡若在缓和曲线全长范围内进行,则

不满足1/330的最小值要求.

(2)外侧车道的超高过渡在缓和曲线部分长度范围内进行.

可以按照以上计算得到的96m取值,此时,超高渐变率为1/200.

4.1.2 内侧车道

(1)若内侧车道超高过渡在缓和曲线全长范围内进行,其超高渐变率为

不满足1/330的最小值要求.

因此,内侧车道可考虑在缓和曲线部分长度范围内进行.

(2)在缓和曲线部分长度范围内进行

按照1/330的最小超高渐变率的要求,内侧车道的超高过渡段长度最大为

取与外侧车道相同的超高渐变率,即规范规定的最大超高渐变率

最终可取50m.

4.2 方案二: 缓和曲线长度取100m.

4.2.1 外侧车道

若超高过渡安排在缓和曲线全长范围内进行,则超高渐变率p的取值为

满足1/330的最小值要求,超高过渡可在缓和曲线全长范围内进行.

4.2.2 内侧车道

(1)超高过渡在缓和曲线全长范围内进行,则

不满足1/330的最小值要求.

因此,内侧车道可考虑在缓和曲线部分长度范围内进行.

(2)在缓和曲线部分长度范围内进行

计算公式与第一种方案相同,内侧超高过渡段长度按照1/330的超高渐变率,最大可取50m.

4.3 方案比较

4.3.1 方案一

缺点: 如果超高过渡在缓和曲线全长范围内进行,行车道内侧、外侧超高渐变率均较小.不满足超高渐变率不得小于0.3%的要求,因此超高过渡可考虑在缓和曲线部分范围内进行.

优点: 缓和曲线较长,线形协调性好.

4.3.2 方案二

缺点: 缓和曲线角较小,平曲线相对较长,线形协调性较差.

优点: 在缓和曲线全长范围内进行超高过渡时,仍能取得较满意的超高渐变率,满足排水要求.

5 结论

(1)在进行多幅路的缓和曲线长度与超高过渡段计算时,为同时保证线形协调和排水要求,建议缓和曲线长度与超高过渡段长度采用不同的取值.超高过渡可以不在缓和曲线全长范围内进行.

(2)内侧车道和外侧车道取不同的超高过渡段长度,需要分开进行计算,内侧车道的超高过渡段长度可根据最大最小超高渐变率确定.

6 问题衍生

(1)《公路路线设计规范》中指出: 设计中对有硬路肩的公路,在进行 B值计算时,应将硬路肩的宽度包括在内,此时超高过渡段长度 Lc将有所增加.目前,高等级道路硬路肩的超高过渡,并无统一规定.因此本文的宽度计算中没有包括右侧硬路肩和右侧路缘带,若考虑硬路肩的变化,计算公式应进行修正.

(2)《公路路线设计规范》中指出: 高速公路、一级公路,为避免排水不良现象,还可以将行车道中间抬高,增设路拱线,以达到减小流水行程,从而减轻路面积水的目的.

在行车道中间增设路拱线,也就是部分车道设计成反超高形式,是否会影响到行车安全,产生侧滑或翻车现象,有待分析.

(3)《公路路线设计规范》中规定超高过渡过程中渐变率均应大于 1/330,但在超高过渡的旋转阶段,由于横坡度较大,路面排水能满足要求.因此,最小超高渐变率要求主要体现在超高过渡的双坡阶段,一种新的设计情况思路是: 多幅路的内外侧超高过渡均可在缓和曲线全长范围内进行,超高过渡段长度可以与缓和曲线长度保持一致,但超高过渡段双坡阶段和旋转阶段所采用的渐变率不一致,内侧车道和外侧车道的渐变率也不相同.

(4)硬路肩可随行车道一起变化,也可单独绕外侧行车道边缘(硬路肩内边缘)变化,若考虑在内,则相应计算公式应进行修正.

[1]中华人民共和国行业标准.JTG B01-2014 公路工程技术标准[S].北京: 人民交通出版社,2014: 79

[2]中华人民共和国行业标准.JTG D20-2006 公路路线设计规范[S].北京: 人民交通出版社,2006: 29～31

[3]曹春阳.道路勘测设计[M].北京:中国建材工业出版社,2013: 49～51

[4]赵永平,唐 勇.道路勘测设计[M].北京: 高等教育出版社,2013: 69～72

[5]杨少伟.道路勘测设计[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 文献标识码: A 文章编号: 1672-5298(2017)02-0049-06

2016-12-18

湖南省教育厅一般科学研究项目(16C024)

林志英(1978- ),女,湖北麻城人,硕士,湖南理工学院土木建筑工程学院讲师.主要研究方向: 道路设计及交通工程