超高高速公路超高渐近性设计研究

超高高速公路超高渐近性设计研究

在曲线段的驾驶中，车辆会受到离心力的影响，并且会倾向于在曲线外滑动或倾斜，从而影响车辆的横向稳定。超高是为抵消或减小离心力的不良影响,保证汽车在曲线路段上稳定行驶,在该路段横断面上设置的外侧高于内侧的单向横坡。超高过渡段是从直线段的双向路拱横坡渐变到圆曲线段具有单向横坡的路段。超高设计的优劣直接影响行车的安全、平稳、舒适,因此合理的超高设计在公路总体设计中具有重要的意义。高等级公路由于车辆行驶速度高,路基宽度大,超高的合理性更加重要。1超高渐变率的确定现行《公路路线设计规范》JTGD20-2006(以下简称06版规范)在7.5.4超高过渡段中删除了超高过渡段长度计算公式,仅保留了超高渐变率的取值表。表1中列出了对应高速公路不同设计速度下选取的超高渐变率。超高渐变率是指旋转轴与旋转轴路幅外侧边缘之间的相对坡度。从行车舒适角度来讲,超高渐变率越小,路幅外侧相对旋转轴的折角就越小,行车越舒适,表1中所列为相应条件下的最大渐变率。由超高渐变率的定义可知其计算公式如下:式中:P—超高渐变率;1.1中央分隔带各边线的角度超高渐变率P与超高过渡方式(即旋转轴的选取)有关,旋转轴的位置决定了B值。06版规范7.5.5中按无中间带、有中间带、分离式路基对超高过渡方式进行了细致分类,由于表1中超高旋转轴位置只区分中线、边线,这未能与过渡方式完全对应,造成了一些设计人员在选取超高渐变率时无法充分理解其含义与区别。本文旨在对高速公路的超高进行探讨,而高速公路整体式路基必须设置中间带,因此以下只对有中间带路基超高进行讨论。从本质上说,表1中“中线”应该理解为行车道中心线,“边线”则应理解为非行车道中心线的道路边缘线,包括中央分隔带的两侧边缘,中央分隔带中心线。笔者认为,由于中央分隔带的分隔,左右幅道路超高互不干扰,可以看成是两条单向道路单独进行超高;即使选取中央分隔带中心线为旋转轴,其本质上也是比道路边缘线更边缘的一条旋转轴线,这使得B值进一步加大,相比于同条件下中央分隔带边缘的旋转轴,其超高渐变率更大。假如把中央分隔带中心线牵强地理解为“中线”,这与表1中同等设计速度条件下中线允许的最大超高小于边线的最大超高相矛盾。由(1)式变形得:式中:ω—超高渐变相对旋转轴的角速度。之所以表1中会区分两种旋转轴,是因为超高渐变率本质上规定的是路幅外边缘绕旋转轴的线速度,其不仅与旋转角速度正相关,同时与弦长(即B值)正相关。把“中线”理解为行车道中心线,这时旋转轴与旋转轴路幅外缘的宽度B比“边线”时缩小一半;若按同等角速度旋转,其超高渐变率值也缩小一半。而表1中对于“中线”超高渐变率的规定分别只比“边线”小一个等级,并没有达到一半的程度,这意味着允许绕“中线”的角速度大于绕“边线”的角速度,即当宽度B缩小一半时,可适当减小超高过渡段长度。绕行车道中心线旋转的方式,超高过渡段长度小,对排水有利,但存在桥梁路段不美观、中间隔离墩不统一的问题;而绕中央分隔带边缘旋转的方式与纵断面设计线位置一致,便于计算填挖高,在实际中广泛采用。1.2超高渐变率的确定单从行车安全舒适角度考虑,超高渐变率越缓越有利,但考虑到路面横坡小于标准横坡的部分超高段落,路面水沿路线纵坡形成径流,路面水滞留在路面上的时间增加,同时在某些超高固定位置纵向径流集中横向排出,形成较厚水膜,影响行车安全,因此有必要控制超高保持一定的渐变率。《公路路线设计规范》JTJ011-94版规范中规定“横坡度由2%(或1.5%)过渡到0%路段的超高渐变率不得小于1/330”。而现行06版规范在7.5.6中简化为“超高过渡段的纵向渐变率不得小于1/330”,并在其后的条文说明中解释为“应按排水要求的最小坡率0.3%计,故规定超高渐变率不得小于0.3%,即1/330”。笔者认为本条规定欠妥,因为如前所述,超高渐变率实际上只表征路幅外边缘线相对旋转轴的起伏,它与旋转轴至路幅外缘宽度成正比,也就是说即便外边缘线满足排水要求的最小坡率,也不代表内侧路面同样满足最小坡率,事实上无论超高渐变率取值多少,总有一部分靠近旋转轴的路面在超高纵向渐变率不满足最小坡率。换一种说法,超高渐变率最小值的规定并不能消除平坡,而是只能尽量减小横坡排水不畅的路段长度。为了消除单一规定最小渐变率而忽略的路幅宽度变化对排水不畅段落长度的影响,笔者建议按旋转角速度ω来控制平坡段落长度,或者分别规定不同车道宽度、数量下的超高渐变率最小值。2影响b值的行为2.1双向六车道高速公路超高过渡段长度的调整表1中超高渐变率的取值是根据不同设计速度、不同旋转轴位置、最不利半径下设置的最大超高以及对应最小缓和曲线长度作为超高过渡段的情况下,代入(1)式计算并结合经验取整所得。在实际应用过程中,则是反向据此计算超高所需最小过渡段长度,公式如下:式中各符号意义同上。由(3)式可知超高过渡段长度在设定超高值、选定超高渐变率后,只与B值,即旋转轴与旋转轴路幅外缘的宽度成正比。这实际上是存在误区的,因为B值是计算与确定超高渐变率的重要因素之一。随着近年来国家经济的发展,汽车保有量的持续高速增长,高速公路建设也随着交通量的增加,从基本的双向四车道逐渐向双向六车道、八车道甚至十车道发展。为满足预期交通量需求,许多新建高速公路已采用双向六车道设计,有些既有双向四车道高速公路改扩建成双向八车道。取设计速度120km/h,绕中央分隔带边缘旋转,对八车道(B如图1所示,二者相差近乎二倍;按(3)式计算所得超高过渡段长度,八车道也较四车道近乎长一倍,由于二者旋转角度Δi相同,由(2)式可知,八车道的旋转角速度近乎是四车道的一半,这无形中增加了缓横坡段(+2%~-2%)的长度,对排水不利。从更加直观的角度说,考查双向四车道外侧车道边缘(包括右侧路缘带)宽度在双向八车道对应位置的纵向渐变率为:可见对于双向八车道,在渐变率取最大值时,其对应双向四车道边缘位置的纵向渐变率甚至不满足规范中“纵向渐变率不得小于1/330”的规定。此种超高方式在设计中是不可取的,由此可见抛开B值来讨论超高渐变率,在现状路幅宽度不断增加的情况下是不现实的。为解决六车道及以上高速公路对于单一设定超高渐变率而引起的缓横坡段长度增长的问题,规范建议增设路拱线来解决,如图2。采用增设路供线的方式并不能减短整体超高过渡段的长度,而是对缓横坡段分阶段进行超高渐变:先由断面(2)过渡至断面(4),旋转轴至路拱线断面横坡过渡,路拱线至路幅外缘保持路基标准横坡,由于其旋转角度等于不设路拱线时,断面(2)过渡至断面(6)的角度,而长度仅为原来的一半,可知其旋转角速度是不设路拱线时的二倍,明显缩短了缓横坡段长度;再由断面(4)过渡至断面(6),旋转轴至路拱线断面横坡保持反向路基标准横坡不变,路拱线至路幅外缘断面横坡过渡。分阶段渐变实现了拆分原本整段且宽度较大的缓横坡段成为两段长度分别只有原来一半且宽度也为原来一半的缓横坡段,缓横坡段总面积较设置路拱线前减少一半。2.2与车道相同的超高过渡段2006版规范在6.5.5中规定“当曲线超高小于或等于5%时,硬路肩横坡值和方向应与相邻车道相同;当曲线超高大于5%时,其横坡值应不大于5%,且方向相同”。此项规定是考虑路容美观且便于施工同时兼顾了重载货车在横坡值较大的硬路肩上停车安全。又在7.5.10中规定“硬路肩超高值与相邻车道超高值相同时,其超高过渡段应与车道相同,且采用与车道相同的超高渐变率”。笔者认为硬路肩的设置是出于紧急停车的考虑,而非快速行车通过的功能,因此不需要强调其超高渐变率过大带来的行车不舒适的影响,同时由于其设置在行车道外缘,B值增加,在超高过渡段取与车道相同的前提下,超高渐变率只会大于不考虑硬路肩时车道外缘的超高渐变率,而无法相等,因此也不必担心其超高渐变率过小。综上所述,笔者认为硬路肩不是影响超高渐变率及超高过渡段长度的核心因素,可不严格要求计算在B值中。对于双向四车道高速公路,由于车道数少,路幅宽度小,B值中计入硬路肩宽度计算所得的超高过渡段长度仍不控制平面设计中缓和曲线长度的取值;而对于双向六车道、八车道高速公路,在平曲线半径接近一般最小值的情况下,超高过渡段长度往往直接控制缓和曲线长度的取值,影响平面设计,故建议不考虑把硬路肩宽度计入B值中,硬路肩部分的超高过渡段随其相邻车道即可。3旋转轴路幅宽度m的确定,b超高渐变率的本质是绕轴旋转的线速度,而线速度是与其基点到旋转轴的距离密切相关的。超高渐变率涉及因素众多,从旋转轴位置的选取、路幅宽度