CN116186848A - 一种超高速公路纵断面设计参数 - Google Patents

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唐成检
罗晟
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Chongqing Jiaotong University
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Abstract

本发明涉及高速公路纵断面设计技术领域，具体为一种超高速公路纵断面设计参数，包括计算步骤：选择代表车型并获取其速度衰减数据；以代表车型的车辆速度衰减数据作为标准，将最小车辆速度衰减时的纵坡坡度作为最大纵坡的临界条件，获取最大纵坡限制表；设置最小行驶行程作为最小纵坡坡长的临界限制，计算不同设计速度下的最小纵坡坡长；以最小车辆速度衰减作为最大纵坡坡长的临界条件，当速度衰减至目标速度时所对应的行驶距离即为最大纵坡坡长，计算出不同设计速度下的最大纵坡坡长；根据停车视距要求计算出凸形竖曲线极限最小半径，从而获取不同设计速度下的凸形竖曲线最小半径。使得超高速公路在具备行车安全性的同时，提高了乘客的舒适度。

Description

一种超高速公路纵断面设计参数
技术领域
本发明涉及高速公路纵断面设计技术领域，具体为一种超高速公路纵断面设计参数。
背景技术
我国1981年颁布的《公路工程技术标准》(JTJ 01-81)规定了我国公路最高设计速度为120km/h，这一标准在最新版《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)仍在沿用。而随着近几十年我国道路施工技术的快速发展和汽车性能的巨大提升，建设设计速度超过120km/h的“超高速公路”成为可能，但涉及“超高速公路”的纵断面设计参数在现有研究中存在盲区。
目前国内外市场在售的大部分燃油汽车最高设计速度大多在180km/h左右，超级跑车甚至超过350km/h，近几年快速发展起来的新能源汽车设计速度基本也能达到160km/h，现行高速公路限速已经影响了汽车性能的发挥。因此，现在亟需涉及车速超过120km/h的超高速公路的纵断面设计参数。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于超高速公路无法直接沿用现有的高速公路参数进行修建的问题。
本发明提供的基础方案：一种超高速公路纵断面设计参数，包括计算步骤：
S1：选择代表车型，获取代表车型的速度衰减数据；
S2：以代表车型的车辆速度衰减数据作为标准，将最小车辆速度衰减时的纵坡坡度作为最大纵坡的临界条件，从而获取最大纵坡限制表；
S3：设置最小行驶行程作为最小纵坡坡长的临界限制，计算不同设计速度下的最小纵坡坡长；
S4：以最小车辆速度衰减作为最大纵坡坡长的临界条件，当速度衰减至目标速度时所对应的行驶距离即为最大纵坡坡长，从而计算出不同设计速度下的最大纵坡坡长；
S5：根据停车视距要求计算出凸形竖曲线极限最小半径，从而获取不同设计速度下的凸形竖曲线最小半径；
S6：根据缓冲冲击要求计算出凹形竖曲线极限最小半径，从而获取不同设计速度下的凹形竖曲线最小半径。
进一步，所述S1中选择的代表车型为三厢小轿车，该代表车型的车辆速度衰减数据为10-15km/h。
进一步，所述S3中的最小行程为9s。
进一步，所述S3中，最小坡长
Figure BDA0004065970380000021
其中v为设计速度(km/h)，t为在该速度下的行驶时间。
进一步，所述S5中的停车视距要求包括：
停车视距
Figure BDA0004065970380000022
式中v为行驶速度，km/h；t为反应时间；g为重力加速度；f1为路面摩阻系数；
视距曲线长度
Figure BDA0004065970380000023
式中△为坡度差(％)。
进一步，所述S5中，根据停车视距要求，可通过
Figure BDA0004065970380000024
计算出凸形竖曲线极限最小半径。
进一步，所述S6中的缓冲冲击要求包括：
缓冲冲击曲线长度
Figure BDA0004065970380000025
式中△为坡度差(％)。
进一步，所述S6中，根据缓冲冲击要求，可通过
Figure BDA0004065970380000026
计算出凹形竖曲线极限最小半径。
本发明的原理及优点在于：超高速公路纵断面设计参数主要包括最大纵坡坡度、不同坡度的坡长、竖曲线半径。其中坡长包括不同坡度的最大和最小坡长；竖曲线半径包括凸形竖曲线最小半径和凹形竖曲线最小半径。本方案中，考量到行车速度越大，要求的纵坡越平缓，最大纵坡的值也会随之变化，因此本方案中将最小车辆速度衰减时的纵坡坡度作为最大纵坡的临界条件，从而获取最大纵坡限制表。而在纵坡坡度处于临界值时，车辆的爬坡性能处于较低水平，爬坡行驶的速度出现衰减，较长的坡长则会对汽车的安全行驶产生不利，因此本方案以最小车辆速度衰减作为最大纵坡坡长的临界条件，计算出不同设计速度下的最大纵坡坡长。而最小坡长过短则会造成坡点较多的情况，使得行车过于颠簸，故本方案中设置了最小行驶行程来保障了最小坡长不会过短，提高乘客舒适度。而凸形竖曲线和凹形竖曲线则分别考量了停车视距要求和缓冲冲击要求进行了计算，使得车辆在竖曲线路段行驶时，既具备较好的通视性，也具备较好的舒适性。
附图说明
图1为本发明一种超高速公路纵断面的计算步骤流程图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
具体实施过程如下：
实施例一
实施例一基本如附图1所示，一种超高速公路纵断面设计参数，包括计算步骤：
S1：选择代表车型，获取代表车型的速度衰减数据；
S2：以代表车型的车辆速度衰减数据作为标准，将最小车辆速度衰减时的纵坡坡度作为最大纵坡的临界条件，从而获取最大纵坡限制表；
S3：设置最小行驶行程作为最小纵坡坡长的临界限制，计算不同设计速度下的最小纵坡坡长；
S4：以最小车辆速度衰减作为最大纵坡坡长的临界条件，当速度衰减至目标速度时所对应的行驶距离即为最大纵坡坡长，从而计算出不同设计速度下的最大纵坡坡长；
S5：根据停车视距要求计算出凸形竖曲线极限最小半径，从而获取不同设计速度下的凸形竖曲线最小半径；
S6：根据缓冲冲击要求计算出凹形竖曲线极限最小半径，从而获取不同设计速度下的凹形竖曲线最小半径。
具体的，本实施例通过仿真软件Carsim进行了设计参数的计算，所述S1中选择的代表车型为三厢小轿车，车辆速度衰减数据为10-15km/h，车身长度4.87m、宽度1.855m、高度1.455m，总重量2070kg，发动机最大输出150kW，比功率72W·kg-1，最大扭矩310N·m，档位数为6；选择车道宽度3.5m，左侧硬路肩1.5m、右侧硬路肩3m的单向四车道道路模型，路面选择沥青路面，路面附着系数为0.7，道路水平长度为3km；驾驶员模型中转向控制装置设置为保持车辆与道路中线横向右侧偏移2m，保证车辆保持直线行驶，不进行制动控制，设置为自由换挡模式。
在现行规范公路纵坡适应性中，明确了在较陡坡道上，车辆速度会随着上坡坡度的增大而逐步降低。故本实施例以代表车型的车辆速度衰减数据10-15km/h作为安全舒适范围标准，来确定不同设计速度下公路纵坡坡度及坡长限制。具体的，如S2所示，考虑到超高速公路的特殊性及纵坡路段行驶的安全性和舒适性，本实施例将车辆速度衰减10km/h时的纵坡坡度作为最大纵坡临界条件。据此根据仿真数据计算超高速公路设计时的最大纵坡限制表如表1所示。
表1最大纵坡限制表
Figure BDA0004065970380000041
S3中，对不同设计速度下的最小纵坡坡长进行了计算。具体的，考虑到道路线形几何的平顺性、连续性和行车的舒适性考虑，纵坡坡长不宜短，过多的坡点会使得乘客频繁处于超重和失重环境中。而现有技术中通常以设计速度行驶9-15s的行程作为最小坡长
Figure BDA0004065970380000042
的临界限制，其中v为设计速度(km/h)，t为在该速度下的行驶时间。在高速公路上，9s已满足几何线形布设及行车的需求，因此本方案中，以代表车型的车辆以设计速度行驶9s的行驶距离作为超高速公路的最小坡长，即t取9s，从而获得超高速公路不同设计速度下的最小坡长如表2所示。
表2超高速公路最小坡长表
Figure BDA0004065970380000043
S4中，则对不同设计速度下的最大纵坡坡长进行了计算。具体的，道路纵坡越陡，坡长越长，对汽车正常行驶的影响也就越大，这主要表现在车辆行驶速度的衰减上，有时甚至需要车辆降低档位以克服阻力，从而维持期望行驶速度。故本实施例中，跟据车辆爬坡时的速度-坡长曲线，同样以车辆速度衰减10km/h为临界条件，当速度衰减至目标速度时所对应的行驶距离即为最大坡长，该最大坡长当大于最小坡长；当不同设计速度下的纵坡坡度小于最大坡度时，则不对坡长进行限制。经计算获得，不同设计速度下不同坡度的最大坡长限制如表3所示。
表3超高速公路不同坡度的最大坡长表
Figure BDA0004065970380000044
Figure BDA0004065970380000051
注：计算结果为向上按50的倍数取整
在S5和S6中，对不同设计速度下的凸形竖曲线以及凹型竖曲线的最小半径进行了计算。具体的，竖曲线最小半径的控制要素和约束条件有两方面，一是车辆经过竖曲线时发生竖向位移导致的不舒适，尤其是在凹形竖曲线时，车辆在高速行驶时在离心力的作用下汽车处于超重状态，乘客会出现明显的不适感；二是视距要求，采用竖曲线可以明显改善变坡点的通视性，竖曲线半径值越大，改善效果越显著。
具体的，如S5所示，本方案根据停车视距要求计算出凸形竖曲线极限最小半径，从而获取不同设计速度下的凸形竖曲线最小半径。据现行《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)条文说明中的计算公式，实际控制条件是通视性要求。其中停车视距应满足的是
Figure BDA0004065970380000052
Figure BDA0004065970380000053
式中v为行驶速度，km/h；t为反应时间，取2.5s；g为重力加速度；f1为路面摩阻系数，根据发明者近年来在多条高速公路沥青路面正常状态下的附着系数实测，干燥状态下取0.55。视距所要求的曲线长度L应满足
Figure BDA0004065970380000054
式中△为坡度差(％)，由此可根据
Figure BDA0004065970380000055
计算出凸形竖曲线极限最小半径，表4为不同设计速度下的凸形竖曲线最小半径。
表5超高速公路凸形竖曲线最小半径表
Figure BDA0004065970380000056
注：计算结果向上按10的倍数取整。
S6中，根据缓冲冲击要求计算出凹形竖曲线极限最小半径，从而获取了不同设计速度下的凹形竖曲线最小半径。具体的，现行《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)条文说明中的计算公式，实际控制条件是舒适性要求。缓冲冲击所要求的曲线长度L应满足
Figure BDA0004065970380000057
式中△为坡度差(％)。由此，本实施例可根据
Figure BDA0004065970380000058
计算出凹形竖曲线极限最小半径，表5为不同设计速度的凹性竖曲线最小半径。
表5超高速公路最小半径
Figure BDA0004065970380000059
注：计算结果向上按100的倍数取整。
以上的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种超高速公路纵断面设计参数，其特征在于，包括计算步骤：
S1：选择代表车型，获取代表车型的速度衰减数据；
S2：以代表车型的车辆速度衰减数据作为标准，将最小车辆速度衰减时的纵坡坡度作为最大纵坡的临界条件，从而获取最大纵坡限制表；
S3：设置最小行驶行程作为最小纵坡坡长的临界限制，计算不同设计速度下的最小纵坡坡长；
S4：以最小车辆速度衰减作为最大纵坡坡长的临界条件，当速度衰减至目标速度时所对应的行驶距离即为最大纵坡坡长，从而计算出不同设计速度下的最大纵坡坡长；
S5：根据停车视距要求计算出凸形竖曲线极限最小半径，从而获取不同设计速度下的凸形竖曲线最小半径；
S6：根据缓冲冲击要求计算出凹形竖曲线极限最小半径，从而获取不同设计速度下的凹形竖曲线最小半径。
2.根据权利要求1所述的一种超高速公路纵断面设计参数，其特征在于：所述S1中选择的代表车型为三厢小轿车，该代表车型的车辆速度衰减数据为10-15km/h。
3.根据权利要求2所述的一种超高速公路纵断面设计参数，其特征在于：所述S3中的最小行程为9s。
4.根据权利要求3所述的一种超高速公路纵断面设计参数，其特征在于：所述S3中，最小坡长
Figure FDA0004065970170000011
其中v为设计速度(km/h)，t为在该速度下的行驶时间。
5.根据权利要求4所述的一种超高速公路纵断面设计参数，其特征在于：所述S5中的停车视距要求包括：
停车视距
Figure FDA0004065970170000012
式中v为行驶速度，km/h；t为反应时间；g为重力加速度；f1为路面摩阻系数；
视距曲线长度
Figure FDA0004065970170000013
式中△为坡度差(％)。
6.根据权利要求5所述的一种超高速公路纵断面设计参数，其特征在于：所述S5中，根据停车视距要求，可通过
Figure FDA0004065970170000014
计算出凸形竖曲线极限最小半径。
7.根据权利要求6所述的一种超高速公路纵断面设计参数，其特征在于：所述S6中的缓冲冲击要求包括：
缓冲冲击曲线长度
Figure FDA0004065970170000015
式中△为坡度差(％)。
8.根据权利要求7所述的一种超高速公路纵断面设计参数，其特征在于：所述S6中，根据缓冲冲击要求，可通过
Figure FDA0004065970170000021
计算出凹形竖曲线极限最小半径。
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