立交匝道的超高与横坡

立交匝道的超高与横坡摘要：为配合建设部《城市道路交叉设计规程》的编写.本文根据目前道路超高与横坡设计的习惯做法.结合国内外已取得的成功经验、针对城市立交匝道，从道路条件和行驶舒适性分别阐述z,最大横坡和横向摩阻系数的取用原则.对比了超高与横向摩阻系数在平衡车辆行驶于弯道所产生的侧向离心力的各种组合及协同作用，总结提出丁适合我国的立交匝道超高与横坡设计的各项设计指标和设计方法。关键词；立交匝道超高横坡l道路可能的最大超高横坡1决定最大允许超高横坡的主要因素在平曲线上行驶的车辆会受离心力的作用，通常是以设置超高横坡来平衡离心力，使横向力系数保持在安全、舒适允许的范围内，从而防止侧向滑移，也有利横向排水。但超高的设置不单是为平衡侧向离心力需要而设，还必须兼顾其他需要并受到自然因素、路线条件、行车因素等的限制。在有冰冻、积雪地区，超高横坡太大会致使冰面上慢行或停止的车辆横向滑移，而多雨地区若超高横坡过小会使表面排水不畅或不均积水、水膜润滑会减少侧向摩阻，致使较高车速行驶车辆产生部分“滑水”现象，重型或动力性能差须在大超高平曲线傻行的车辆，行驶中会产生侧向负不平衡力，这会强制司机用力朗反曲线方向或横坡向上方向操作方向盘，以保持行车稳定姿态。此外，大超高也不是重交通量道路和低速道路（不管是城市道路还是公路）所希望的，因为这些道路上总有众多的因素常常引起行驶速度大大低于设计•车速，致使司机反常规操作，引发交通事故。1.2各种标准对曲线超高的限定各种标准对曲线超高的限定在具体规定中都结合了当地的特点。德国规定最大超高横坡imax为7%，其绝大部分国土均为冰冻地区;日本规定一般地区最大超高横坡10%，冰雪地区6%，以适应国土纬度跨越大，地区气候变差剧烈的特点。美国各州公路工作者协会AASHO设计指南推荐，对有良好气候无冰雪地区最大超高横坡不能超过12%这一极限（低级路面），一般为10%，有冰雪地区极限值为8%。因文通拥挤、地区物业开发、限速、信号控制、交叉口等影响，有低速行驶趋势的道路，建议最大超高横坡为4%至6%；对于常有交通拥挤、阻塞严重、排水困难、有行人穿越等的城市道路应避免设置超高，仅设路表排水横坡（1.5%—2%）；对城市高架快速路，因出人口连接结构构造及城市景观需要等限制，推荐最大超高值为8%,有冰雪地区为6%；对于交叉口转向车道（包括立交匝道）也按所在地区、连接道路性质等级、交通组织情况，分别用一般道路路段最大容许超高横坡标准，受低速或停车等限制时仅设道路排水横坡控制超高横坡设计。我国《公路工程技术标准》中规定，高速公路、一级公路的超高横坡不应超过lo%，其它各级公路及有低速行驶情况不应超过8%，并规定冰冻积雪地区最大超高横坡度不宜大于6%，最小超高横坡应等于路拱坡度值。我国《城市道路设计规范》规定，最大超高横坡度按设计车速的高低在6%—2%范围内取值，对匝道平曲线超高又规定宜采用2%，最大不得超过6%。综观各种标准对超高横坡的各种限定，一般均以地区特点确定取值范围，很难以单个标准值代表各种特定条件。3城市立交匝道最大超高横坡的确定由于超高横坡度的取值与道路性质有着密切的关系，城市立交相交道路一般以城市道路为主，故城市立交匝道最大超高横坡应与城市道路超高横坡设计标准一致，以取得行车安全和舒适性水平的均衡，即最大超高横坡取6%，冰冻、积雪地区取4%。若为由城市快速路相交的枢纽立交，则立交匝道最大超高横坡度标准应与城市快速路标准一致。连接不同道路等级的立交匝道，其超高横坡原则上应.与较低级道路的超高横坡度标准一致，即一般城市道路与城市快速路相交，立交匝道以一般城市道路超高横坡标准为宜，城市（快速）道路与公路相交，立交匝道以城市道路（或快速路）超高横坡标准为宜。2超高横坡的确定1横向力系数的可能取值范围为保证车辆在弯道上以设计容许车速安全行驶，并保证一定的舒适水平，需要设多大的超高，除了弯道平曲线半径大小之外，主要取决于容许路面与轮胎之间有多大的横向摩阻力来平衡超高不足以平衡的那部分离心力。国内外研究结果表明，行车车速愈高，实测达到的横向力系数值愈小，通常的沥青路面表面摩阻力系数在O.4—0.8之间，水泥混凝土路面在0.4—0.6之间，经表面特殊处理的路面也有达到O.8以上的。在恶劣气候下路面的表面横向力系数较低，冰冻表面仅为O.05—o.29（短时期内形成的薄冰面接近低限），积雪表面为0.2—0.J，若加上防滑链，则一般能达到O.2—0.3以上。2.2横向力系数的安全舒适界限实际行车中，乘客能直接忍受或仍感舒适安全的横向力系数取值要远较以上可能的实测值为低，且行车速度愈高，感到舒适、安全的横向力系数愈低。我国的《公路工程技术标准》中9横向力系数取o.1一o.15对应设计车速120km/h一20km/h，立交匝道为O，12—O.17，对应车速为80lEm/h一30km/h，为舒适性极限，大于O.2则认为行车不平稳，无安全感。美国各州公路工作者协会的研究成果表明，一般光滑轮胎与正常湿路面间的极限横向力系数为O.35（70km/h），推荐符合安全舒适界限的标准横向力系数为0.17—0.14—0.09，对应设计车速为30km/h一80km/h一120km/h，并认为对于城市低速道路（设计车速低于60km/h）行车乘客能接受的横向力系数限值（即舒适性界限）较高，车速为60knl/h时可取O.195车速为30knl/h时可取0.31。我国《城市道路设计规范》认为安全舒适的横向力系数取值在0.14一O.16之间，对应车速在80km/h一30km/h，基本接近公路标准。其中对于匝道和环道车速30一60km/h取O。18，20km/h取O.14，同样认为城市道路上行车乘客能接受较之公路为高的横向力系数舒适界限，但对应有交织交通的匝道或环道这一舒适界限较之美国AASHO关于城市低速道路的研究成果为低。随着近年来我国城市道路建设的高速发展9城市立交的建设水平和质量有了长实的进步，设计标准也应向先进标准靠近。综上所述，立交匝道的横向力系数舒适、安全界限应与相交道路的性质等级相匹配，城市立交匝道应与城市（快速）道路的横向力系数舒适界限相匹配，见表1：表1匝道横向力系数舒适界限计算行车速度（km/h）f1值80O.1470O.15600.1650o.17400.1830O.1825O.18200.183平曲线超高和横向摩阻力的分配超高横坡和横向摩阻力都可以平衡车辆行驶于弯道所产生的侧向离心力。从行驶的角度总希望以超、高平衡离心力，这样方便驾驶。但由于前述原因，超高横坡和横向摩阻都有各自的最大限值，平衡侧向离心力往往需同时使用超高横坡和横向摩阻力。对于既定的设计速度，用超高i或是横向力系数或是两者同时使用，来平衡曲线上行驶产生的离心力，可以有五种不同的方法，见图1。其中：方式1：曲线超高i和横向力系数按弯道曲率线性取值。方式2：先按弯道曲率线性取值横向力系数，用足最大摩阻力后再按弯道曲率线性取值超高横坡i以抵消弯道行驶产生的离心力。方式3：先按弯道曲率线性取值超高横坡i，用足最大超高值后再按弯道曲率线性增大横向摩阻力取值来抵消弯道行驶产生的离心力。方式4：此方式是针对方式3在低于设计车速的实际运行速度下i和p的取值方式，是为了保证实际运行速度时不产生负摩阻。方式5：是间于方式1和方式4的分配方式，i和p按二次抛物线取值。我国《公路工程技术标准》是按方式1分配i和p，《城市道路规范》是校方式2分配i和p，美国八AASITO对于公路和城市快速路采用方式5，对于城巾低速道路采用方式2。2.4匝道超高设计应遵循的原则超高横坡和横向摩阻力共同平衡平曲线上行驶车辆产生的离心力。上式五种超高和摩阻力的分配方式各有利弊。方式1合乎常规，利于掌握，且避免了太多地使用极限超高，适用于交通量较少、车流稳定且基本按设计车速行驶的较理想状态，该方式在车速不均匀时横向会产生不平衡横向力。方式2只限于使用在行驶速度不均、车流不稳且常有低速甚至停车需要的城市低速道路，如街坊、商业街道路等。方式3适用于能按设计车速维持稳定车流的高速道路，对于实际行车速度低于设计车速行驶在平缓全中等曲率的弯道上时、有负摩阻现象.会导致反常驾驶。方式1一般考虑以设计速度的85%为实际平均行驶车速，进行超高和摩阻力的分配，以最大程度地避免负摩阻的产生。方式5具有方式1的优点，即可避免太多使用最大超高，也具有方式4的优点，即容许在乎缓曲线上有一定的超速行驶，尤其是在交通量较小时，这是一种客观存在的需要。综上所述，匝道平曲线超高设计原则上应按连接道路的性质及交通特性、匝道交通流特征等选用舒适的超高、摩阻分配方式。一般立交匝道的交通性质接近相交道路的路段情况，匝道通常为单向专用转向道，无信号灯控制，端部无交织冲突点，车流为不间断连续流，车速比较均匀，且由于匝道设计车速往往低于相交道路设计车速，平均行车速度一般接近设计限速，甚至超速。故匝道平曲线超高和横向摩阻的分配以方式；为宜。3超高缓和段长度超高缓和段长度为匝道和自标准路拱过渡到全超高断面所需的长度。确定超高缓和段长度一般从简个方面考虑：景观舒适需要及行驶安全。从安全角度考虑，必须让司机有充足的反应时间.从标准路拱断面逐步进人过渡段，直至全超高断面。国内外经验表明，这个反应时间以2s为宜，即超高缓和段最小长度必须大于2s的设计车速行驶距离。此外，也有按横向力系数加速率确定超高缓和段长度的，美国AASHO研究提出L=2.72pVd/C，其中：L为所需超高缓和段长度(以m计)人为捍的变化率，一般为1.2—1.5；m/S3,对应车速30km/L一60km/h；Vd主设计车速(km/h)。从视觉美观方面考虑，美国AASHO研究成果认为双车道道路路面，边缘纵断面与中心线纵断面之间不产生道甚扭曲感的容许纵坡差与设计车速有关.一般对应设计车速30km/h至80km/11，为0.75%—0.5%，且车速愈高，容许坡差愈小。我国《公路路线设计规范》和《城市道路规范》采用了近似指标，使用效果良好。为此，城市立交匝道超高缓和段也较普遍采用了符合景观需要的渐变率标准，按照中心或路边缘为转袖，规定见表2。表2超高渐变率设计车速（km/h）超高渐变率201/1001/50301/1251/75401/1401/100501/1501/115601/1701/125701/1851/135801/2001/1504超高过渡方式立交匝道的断面形成一般以单幅路单向路拱为主，对于双车道匝道也有双向路拱、对于容许双向行驶的匝道需设中央分隔带而成为双幅路形式。匝道平曲线一旦设置超高，就需通过超高缓和段将标准路拱过渡到全超高路拱。对于单幅路断面，超高的过渡有了种方式，即分别技断面中心线、曲线内侧边缘和曲线外侧边缘为转轴，由标准路拱过渡到单向拱（对于双向路拱）直至全超高路拱；单向路拱断面可直接由标准路拱（可以是反坡）过渡到全超高断面。对于双幅路断面，一种方式是将双幅路分成各自独立的断面，按单幅路方式过渡超高；另一种方式是以中央分隔带为道路中心线，全断面而按单幅路方式进行超高过渡。超高过渡方式的选择原则，主要考虑视觉景观、排水需要及地形特征。当以路中心线为转轴时，由于纵坡基准线即为路中心线，路边线变坡产生的扭曲感最小。使人感到比较安全和舒适。当以曲线内侧边缘/J转轴时，由于排水基准纵坡与设计纵坡保持一致，故此方式不会因超高而使路面产生低洼积水，利于路而排水。当以曲线外侧为转轴时、路面轮廓线不会出超高而隆起，能保持行车视野的开阔、平稳和连续，景观效果最好。过渡方式最终须结合地形、排水条件等综合确定。此外，内于超高横坡一般沿路线直线过渡，故应在超高缓和段的起讫点注意保持路边缘线的连续，一般以起讫点前后各5m范围将边缘线修圆。5纵坡对超高的影晌平曲线按设计车速设置超高，如弯道处于坡道上，行车将受到超高和纵坡的组合作用。对于上坡行驶，行车将受到弯道和纵坡的联合阻力，实际超高大于设计超高；对于下坡行驶，向下纵坡会削减超高横坡，即实际超高会低于设计超高，加上下坡车速较快，致使陡坡弯道下坡行驶的不安全性加大。匝道般因用地、工程规模等限制，转弯半径通常较小，且往往是大纵坡，故纵坡对超高的影响非常大。为了控制急弯、陡坡，尤其是下坡弯道的行驶安全，须对弯道上纵坡和超高横坡组成的合成坡予以限制。根据我国对冰雪地区和一般地区最大超高值和纵