CN110188396A - 一种赋予安全系数的超高速公路平面线形设计参数 - Google Patents

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岳志坤
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Abstract

一种赋予安全系数的超高速公路平面线形设计参数，该超高速公路平面线形设计参数是在传统公路平面线形设计方法的基础上，赋予一定的安全系数计算得到，主要用于设计车速超过120km/h的超高速公路。超高速公路平面线形设计参数由直线参数、圆曲线和缓和曲线的参数三部分组成。其中，直线的设计参数包括直线的最大长度和最小长度；圆曲线设计参数包括一般最小半径、极限最小半径和不设超高最小半径；缓和曲线的设计参数缓和曲线的最小长度。

Description

一种赋予安全系数的超高速公路平面线形设计参数
所属技术领域
本发明涉及一种赋予安全系数的超高速公路平面线形设计参数，该平面线形设计参数适用于设计车速超过120km/h的超高速公路。
背景技术
我国1951年版《公路工程设计准则(草案)》，首次规定我国公路最高设计车速为120km/h，并沿用至今。近70年来，我国公路施工技术和汽车性能都得到了极大地提升，建设设计车速超过120km/的“超高速公路”已成为可能，但设计车速超过120km/的公路平面线形设计参数相关研究却是一片空白。
我国基础设施建设的速度和质量举世瞩目，被誉为“基建狂魔”。截至2018年底，我国高速公路总里程已突破14万公里，连续8年世界第一，并遥遥领先；高速铁路营业里程达到2.9万公里，超过世界高速铁路总里程的三分之二。1997年至2007年，我国铁路经历了六次提速，全国列车平均运行速度从48.1km/h提高到70.18km/h；2008年，第一条设计车速为350的京津高速铁路通车；2006年，我国首条设磁悬浮线路通车，运行车速达到430km/h。铁路无论是通车里程还是运营速度都实现了跨越式的突破。我国公路总里程和高速公路总里程也在不断刷新历史记录，通车里程早已稳居世界第一，也建成了多个超级工程。例如，全球十大最长跨海大桥，中国五座大桥上榜，港珠澳大桥位居世界第一。然而我国公路最高设计车速却没有实质性的提高，锁定为120km/h，至今68年未变。
我国高速铁路的发展为超高速公的建设提供了宝贵的经验，超强的基础设施建设能力为超高速公路建设提供了保证。2016年1月，发明者在《超高速公路发展可行性论证与必要性研究》中对超高速公路的必要性进行了初步论证。超高速公路即设计车速高于120km/h的高速公路。超高速公路不同于普通高速公路，为了保证超高速公路的运行安全，超高速公路路面更加平整，路线更加平顺，设施更加完备。
超高速公路概念提出伊始，就受到同济大学、东南大学和长安大学多位教授首肯，并在2017年6月举办的首届世界交通大会上引起参会学者的广泛兴趣。2018年1月，在东林-同济学术研讨会上题为《基于费用的超高速公路可行性研究》的报告引起参会学者的热烈讨论。发明者在提出超高速公路概念的同时，也提出了超高速公路的技术等级和对应的最高设计车速。并据此确定了新公路等级划分和对应的设计速度以及超高速公路等级划分和对应设计速度，见表1和表2。
表1新公路等级划分
表2新高速公路等级划分
目前关于公路设计参数的确定都是以《公路工程技术标准(JTG B01-2014)》为依据，相关研究也都是以设计车速不高于120km/h为基础。本专利涉及的赋予安全系数的超高速公路平面线形设计参数主要涉及车速超过120km/h的超高速公路。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明专利要解决的技术问题是，设计车速超过120km/h的超高速公路平面线形设计参数的确定，包括直线参数、圆曲线和缓和曲线的参数。
(2)技术方案
本发明专利涉及的超高速公路平面线形设计参数由直线参数、圆曲线和缓和曲线的参数三部分组成。直线的设计参数包括直线的最大长度和最小长度；圆曲线设计参数包括一般最小半径、极限最小半径和不设超高最小半径；缓和曲线的最小长度。
①直线参数：
直线最大长度：汽车在过长的直线路段上行驶时，容易引起驾驶员精神松弛、麻痹大意，还容易引起驾驶疲劳。夜间行车时，车辆与对向来车产生的眩光还会严重影响行车安全，很容易导致交通事故的发生。前苏联和美国的研究表明，当公路设计速度高于或等于60km/h时，直线路段的最大长度不超过汽车以设计速度行驶70s左右的距离，即相当于设计车速V的20倍，据此可以确定超高速公路直线的最大长度。
直线最小长度：同向曲线之间插入的直线段过短时，在视觉上容易产生把两段曲线看成是一段曲线。在进行平面线形设计时，反向曲线之间如果没有缓和曲线，为了满足设置超高和加宽缓和段的要求，应插入一定长度的直线作为车道加宽或弯道超高变化的过渡段。我国《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)和《公路路线规范》(JTG D20-2006)根据前苏联和美国的经验，规定反向曲线间插入的直线的最小长度(以m计)需大于设计速度(以km/h计)的2倍。
②圆曲线参数
一般最小半径：为了保证汽车在圆曲线上以设计速度或以接近设计速度行驶时，旅客的舒适性和安全性，同时保证在地形地貌比较复杂的条件下，工程量和建设成本不会明显增加而确定的最小半径。
极限最小半径：为了保证车辆不出现侧滑时，允许采用的最大横向力系数取极限最大值、路面横坡度取最大超高率时得半径。
不设超高最小半径：当圆曲线半径大于一定数值时，可以不设超高，允许设置与直线路段相同的路拱横坡，考虑到行驶的舒适性，应把横向力系数控制到最小值。
③缓和曲线参数
缓和曲线最小长度：汽车从直线行驶到圆曲线，行驶曲率半径是不断变化的，这一变化路段即为缓和曲线段。缓和曲线必须有足够的长度，从而降低离心力变化的速度，并让驾驶员能够从容转动方向盘，保证行车的安全性、舒适性和线形的连续美观。计算缓和曲线参数时需要考虑离心力变化率不宜过大，行驶时间不宜过短，还必须符合视觉条件的要求。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
图1直线直接连接圆曲线；
图2缓和曲线连接直线和圆曲线；
图3直线连接反向曲线；
图4直线连接同向曲线；
图中：1.直线；2.圆曲线；3.缓和曲线。
具体实施方式
图1中，当圆曲线2半径足够大时，圆曲线2直接由直线1连接；图2中，缓和曲线3连接直线1和圆曲线2，这是目前最常用的连接方式；图3中，直线1连接反向曲线；图4中直线连接同向曲线；图3和图4中的同向曲线和反向曲线与直线连接，可以通过缓和曲线，也可以不通过缓和曲线。
(1)直线参数。根据前苏联和美国的研究，公路设计速度高于或等于60km/h时，直线路段的最大长度不超过汽车以设计速度行驶70s左右的距离，即相当于设计车速V的20倍。同时，现行规范规定同向曲线间直线的最小长度(以m计)大于设计速度(以km/h计)的6倍，反向曲线间插入的直线的最小长度(以m计)需大于设计速度(以km/h计)的2倍。考虑到超高速公路的特殊性和直线在行车过程中对交通安全的影响较小，将安全性系数确定为1.2。据此计算超高速公路设计时直线长度见表3。
表3超高速公路直线长度限制
注：计算结果取10的倍数。
(2)圆曲线参数
车辆在弯道上行驶时，保证车辆不出现滑移的圆曲线半径值为其中V为汽车行驶速度(km/h)；μ为横向力系数；i为路面横向坡度。在超高速公路等级确定后，设计速度为一定值，圆曲线半径R仅与横向力系数μ和路拱横坡i有关。
圆曲线一般最小半径：考虑汽车在圆曲线上以设计速度行驶时旅客的舒适性和安全性，采用了表4所列的μ和i值代入公式计算，并取安全系数1.5，得到超高速公路圆曲线的一般最小半径见表4所示。
表4超高速公路圆曲线一般最小半径
注：计算结果向上按50的倍数取整。
圆曲线极限最小半径：根据上式，保证车辆不出现侧滑时，μ取极限最大值、路面横坡度取最大超高率，并取安全系数1.5，得到的极限最小半径见表5所示。
表5超高速公路圆曲线极限最小半径
注：计算结果向上按50的倍数取整。
不设超高的圆曲线最小半径：当圆曲线半径大于一定数值时，可以不设超高，允许设置与直线路段相同的路拱横坡，考虑到行驶的舒适性，应把横向力系数控制到最小值。按上式算并将结果取整后得到不设超高的圆曲线最小半径，并取安全系数1.5，列于表6。
表6不设超高圆曲线最小半径
(3)缓和曲线最小长度
缓和曲线的最小长度计算主要考虑离心力变化率不宜过大，在缓和曲线上行驶时间不宜过短，还要符合视觉条件的要求。
离心力变化率不宜过大：汽车沿缓和曲线行驶，从直线路段驶入圆曲线路段时，由离心力产生的离心加速度a＝v2/ρ，并在t(s)时间内从缓和曲线的起点到达缓和曲线终点，汽车通过缓和曲线全长l，曲率半径ρ由∞均匀地变化到R，离心加速度由0均匀地增加到v2/R，所以离心加速度的增长率为设汽车匀速行驶，则故将v(m/s)化为V(km/h)得式中V为设计速度，km/h；as离心加速度平均变化率，m/s3；R圆曲线半径，m。研究表明，as可在1.0m/s3～0.3m/s3这样一个很大的范围内取值。超高速公路设计速度均大于120km/h，因此取下限0.3m/s3。
行驶时间不宜过短：缓和曲线不管其长度或曲率等参数如何变化，都必须保证驾驶员有足够的时间完成转向操作。过于急促的变化，还会使驾乘人员感觉不适。因此，需要对在缓和曲线上的最短行程时间加以限制，我国将汽车在缓和曲线上的行程时间定为3s，则缓和曲线最小长度为
符合视觉条件的要求：根据实践研究认为，缓和曲线最小转向角β1＝3°10′59″＝0.0556rad，最大转向角β2＝28°38′52″＝0.5rad。由A2＝R·l得A2＝2R2β，故当β＝β1时：当β＝β2时：l＝R，因此，为了使线形柔顺协调，应满足：《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)按汽车在缓和曲线路段行驶3s，离心加速度变化率限制在0.5m/s3～0.6m/s3范围内，并根据相应等级公路的设计速度，即可计算出缓和曲线的最小长度。因计算圆曲线时已取安全系数1.5，因此计算缓和曲线时不再另取，超高速公路缓和曲线最小长度见表7。
表7圆曲线取一般最小半径时缓和曲线最小长度
注：计算结果取5的倍数。

Claims (4)

1.一种赋予安全系数的超高速公路平面线形设计参数，具体特征是：该超高速公路平面线形设计参数是在传统公路平面线形设计方法的基础上，赋予一定的安全系数计算得到，主要用于设计车速超过120km/h的超高速公路。
2.根据权利要求1所述的一种赋予安全系数的超高速公路平面线形设计参数，具体特征是：在计算直线长度限制时，赋予了安全性系数1.2；计算得到当超高速公路设计车速为180km/h时，直线长度不超过3000m，同向曲线间的最小长度不小于1300m，反向曲线间的最小长度不小于430m；当超高速公路设计车速为160km/h时，直线长度不超过2670m，同向曲线间的最小长度不小于1150m，反向曲线间的最小长度不小于380m；当超高速公路设计车速为140km/h时，直线长度不超过2330m，同向曲线间的最小长度不小于1010m，反向曲线间的最小长度不小于340m。
3.根据权利要求1所述的一种赋予安全系数的超高速公路平面线形设计参数，具体特征是：在计算圆曲线半径时，赋予了安全性系数1.5；计算得到当超高速公路设计车速为180km/h，横向力系数为4，横坡为5时，圆曲线一般最小半径为4000m；当超高速公路设计车速为160km/h，横向力系数为4，横坡为5时，圆曲线一般最小半径为3150m；当超高速公路设计车速为140km/h，横向力系数为5，横坡为6时，圆曲线一般最小半径为2000m。
4.根据权利要求1所述的一种赋予安全系数的超高速公路平面线形设计参数，具体特征是：在计算缓和曲线长度限制时，采用赋予了安全性系数的圆曲线一般最小半径；当超高速公路设计车速为180km/h、160km/h和140km/h时，缓和曲线最小长度分别为445m、350m和225m。
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