白子建，龔鳳剛，王玉秀

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市 300051）

0 引言

線形是港區(qū)道路的骨架，它是決定港區(qū)車輛的行車安全、舒適、經(jīng)濟(jì)及港區(qū)道路的通行能力的重要因素。線形設(shè)計(jì)是港區(qū)道路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，線形設(shè)計(jì)的好壞是港區(qū)道路總體設(shè)計(jì)及其設(shè)計(jì)質(zhì)量高低的重要評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

港口的地理位置比較特殊，一般是多條道路的起點(diǎn)或終點(diǎn)，同時(shí)又是大宗貨物和客流的集散中心，并且港區(qū)交通需求中大型車輛占較大比例，其動特性與小汽車有很大差別，所以與之關(guān)聯(lián)的港區(qū)內(nèi)外道路的交通特性有別于一般公路和城市道路。港區(qū)道路平面線形設(shè)計(jì)中，通常采用直線、圓曲線和緩和曲線（通常為回旋線）三種基本線形，實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)港區(qū)道路交通特點(diǎn)對各種線形比例進(jìn)行優(yōu)化組合，對各種線形參數(shù)進(jìn)行合理選擇。

1 港區(qū)道路交通的特殊性

（1）港區(qū)車輛構(gòu)成分析

港內(nèi)道路交通車輛構(gòu)成復(fù)雜，包括客車、集裝箱卡車、中型貨車、大型貨車、油罐車等。以天津市為例，根據(jù)交通調(diào)查，港區(qū)各主要路段車型構(gòu)成與城市道路車型構(gòu)成如表1、表2所示。

從表中可以看出，港口各主要路段加長集裝箱車、大中型貨車等所占比例較大，在50%～90%之間，相對于城市道路大中型車輛比例30%～40%，是港內(nèi)道路車輛構(gòu)成主要特征。加長集裝箱車、大中型貨車特點(diǎn)是體型大，車身長，重量大，以JYBC3型集裝箱運(yùn)輸半掛車為例，其車身長12.24 m，寬2.49 m，高1.48 m，額定載重量34 t，自重6 t，總重量40 t，見圖1。

港區(qū)道路線形的設(shè)計(jì)要考慮到道路車型的影響，通過行駛車輛的受力分析，合理調(diào)整曲線半徑、長度等各種線形參數(shù)來滿足港區(qū)道路車輛對行車安全及舒適性的要求。

表1 天津港各路段車型構(gòu)成比例 （單位：%）

（2）港區(qū)車輛行駛速度分析

港區(qū)道路車輛速度構(gòu)成和城市道路有明顯不同，港區(qū)內(nèi)的車輛運(yùn)行規(guī)律和特性很大程度由港區(qū)內(nèi)作業(yè)流程及其運(yùn)輸需要決定，港區(qū)道路中集裝箱卡車、大中型貨車占有較大比例，行駛特性具有顯著特點(diǎn)，對港區(qū)道路車輛進(jìn)行速度分析，可以從交通運(yùn)行角度衡量港區(qū)內(nèi)的交通現(xiàn)狀。

下面以天津市為例，港區(qū)道路選擇新港四號路為典型路段，根據(jù)交通調(diào)查數(shù)據(jù)，地點(diǎn)車速頻率分布與城市道路對比（左為港區(qū)道路，右為城市道路）如圖2所示。

從圖2中可以得出，新港四號路段車輛平均車速46.2 km/h，市區(qū)道路車輛平均車速為40.2 km/h，港區(qū)車速高于市區(qū)道路平均車速，這就要求在對港區(qū)道路線形設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)特別考慮車輛速度偏高時(shí)對道路線形安全性的要求，合理調(diào)整各種線形參數(shù)。

表22000～2007年天津市道路車輛構(gòu)成比例

2 港區(qū)車輛彎道行駛受力分析

港區(qū)道路上車輛以大中型車為主，港區(qū)車輛體型大、速度較快的特點(diǎn)，需要特別考慮車輛行駛的安全性。下面以大中型車為例，通過分析大型車輛在彎道行駛時(shí)的受力情況(見圖3),來說明車輛受力及速度對曲線半徑的影響。

圖3中，B點(diǎn)為靠近彎道內(nèi)側(cè)的汽車輪胎著地點(diǎn)；A點(diǎn)為靠近彎道外側(cè)的汽車輪胎著地點(diǎn)；G為汽車裝載后的總重量；F為轉(zhuǎn)彎時(shí)受到的離心力；T1，T2為汽車左右輪胎受到地面法向反力；Pf1,Pf2為汽車左右輪胎受到地面橫向摩擦力；α為路面橫坡坡度角；L為汽車輪距；R為平曲線半徑；u為汽車轉(zhuǎn)彎速度；μ為橫向摩阻系數(shù)。

車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，受到的離心力、合力平衡和合力矩平衡：

A力矩平衡，有：B力矩平衡，有：

當(dāng)汽車重力、離心力的橫向合力大于路面能提供的最大橫向摩擦力時(shí)，車輪就會發(fā)生橫向移動，汽車不發(fā)生橫向滑移的穩(wěn)定性條件分析如下：

內(nèi)外輪所受的摩擦力方向向外:

車輛不會向內(nèi)滑側(cè)滑的條件：

內(nèi)外輪所受的摩擦力方向向內(nèi)：

車輛不發(fā)生向外側(cè)滑的條件：

由《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG 01-2003）可知，一般混凝土路面f值為0.4～0.6，瀝青路面為0.4～0.8，故ih＜arctan（μ）,即高等級公路上行駛的車輛一般不會向內(nèi)側(cè)滑移，用V（km/h）替代u（m/s），得到車輛不發(fā)生側(cè)滑的車速條件:

通過港區(qū)行駛車輛受力分析，可以得出車輛彎道安全行駛的車速條件，為道路設(shè)計(jì)車速的設(shè)定及道路線形設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3 港區(qū)道路平面線形設(shè)計(jì)要點(diǎn)

港區(qū)道路平面線形設(shè)計(jì)要素包括直線、圓曲線及緩和曲線等。

港區(qū)道路具有不同于一般城市道路的地理及氣候條件，港區(qū)道路所處的港口氣候潮濕，路面濕滑，風(fēng)力較大，這都是線形設(shè)計(jì)不可忽略的考慮因素。在港區(qū)道路平面設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)港區(qū)的地形、氣候條件，駕駛員的動視覺特點(diǎn)、心理感受及保證行車安全等因素，合理地布設(shè)路段。

3.1 直線設(shè)計(jì)

（1）最大直線長度設(shè)計(jì)

長直線主要出現(xiàn)在平原微丘區(qū)的線形設(shè)計(jì)中，采取最大直線長度限制的原因是避免過長的直線所帶來的駕駛枯燥感、視野單調(diào)感和不安全因素。我國的現(xiàn)行規(guī)范對此未作明確的規(guī)定，但設(shè)計(jì)中通常參照德國的規(guī)范，最大直線長度以20倍設(shè)計(jì)速度的值控制，由于港區(qū)道路有車輛體型大、速度快的特點(diǎn)，港區(qū)道路線形設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)港區(qū)實(shí)際地形，適當(dāng)延長直線的距離，提高車輛行駛的安全性。

（2）平曲線間最小直線長度設(shè)計(jì)

兩平曲線間的直線長度不宜過短?！豆仿肪€設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20-2006）規(guī)定“對于設(shè)計(jì)速度大于或等于60 km/h的公路,同向曲線之間最小直線長度(以米計(jì))以不小于設(shè)計(jì)速度(km/h)的6倍為宜；反向曲線之間最小直線長度(以米計(jì))以不小于設(shè)計(jì)速度(km/h)的2倍為宜”。港區(qū)車輛行駛速度較快，在道路設(shè)計(jì)時(shí)，最小直線長度最好控制在8倍左右,能獲得較滿意的效果。

3.2 圓曲線設(shè)計(jì)

圓曲線特性分析：

（1）圓曲線半徑。行駛在曲線上的汽車受離心力作用使其穩(wěn)定性受到影響，離心力大小與曲線半徑密切相關(guān)，半徑越小越不利，而半徑過大的話，則跟直線無多大區(qū)別。圓曲線半徑的確定受行車速度、橫向力系數(shù)以及超高橫坡度的影響，根據(jù)汽車行駛在曲線上力的平衡式得到：

各參數(shù)的定義如下：

R是圓曲線半徑；V為行車速度，km/h；μ為橫向力系數(shù)，極限值為路面跟輪胎之間的橫向摩阻系數(shù)；ih為超高橫坡度。

根據(jù)港區(qū)道路交通特點(diǎn)，較高的車速需要相應(yīng)較大的ih來保持行車的穩(wěn)定性，而較高的ih又會對行車安全造成威脅，根據(jù)行駛車輛的受力平衡分析，港區(qū)最大超高橫坡度一般可以設(shè)為5%～7%，積雪冰凍地區(qū)極限值為5%，橫向力系數(shù)μ取0.05～0.08能較好地滿足行車安全性跟舒適性條件。

（2）圓曲線最小長度。車輛在道路上行駛時(shí)，過短的曲線長度會通過造成駕駛員的頻繁操作而帶來行車安全隱患，一般認(rèn)為，車輛在圓曲線上行駛的時(shí)間不應(yīng)短于3 s。即圓曲線最小長度（m）：

其中V為設(shè)計(jì)速度（km/h）。

結(jié)合港區(qū)車輛體型、速度特點(diǎn)，以及通過對港區(qū)車輛的受力安全性分析，可以將圓曲線的最小長度（m）修正為:

其中V為設(shè)計(jì)速度（km/h）,即通過延長圓曲線長度來提高車輛行駛的安全性。

3.3 緩和曲線設(shè)計(jì)

緩和曲線是設(shè)置在直線與圓曲線之間或者半徑相差較大的兩個(gè)轉(zhuǎn)向相同的圓曲線之間的一種曲率連續(xù)變化的曲線，由于汽車行駛軌跡非常接近回旋線,加上回旋線線形美觀、順滑、柔和 ,能誘導(dǎo)視覺,符合駕駛者的視覺和心理要求 ,因此緩和曲線多采用回旋線即曲率半徑跟曲線長度成反比的曲線，用公式描述即：

R為回旋線上某點(diǎn)的曲率半徑，m；L為回旋線某點(diǎn)到原點(diǎn)的曲線長度，m；A為回旋線參數(shù)，m。

（1）回旋參數(shù)A的確定

在確定回旋線參數(shù)時(shí)，應(yīng)在范圍R/3≤A≤R內(nèi)選定，具體取值范圍可以參考《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D20-2006）。港區(qū)車輛體型、載重大以及速度高，應(yīng)該適當(dāng)減小A的取值，以避免速度方向的快速變化對行車帶來的安全隱患，在港區(qū)道路平面線形設(shè)計(jì)中，A經(jīng)修正后在范圍R/3≤A≤2R/3內(nèi)選定可以較好地滿足行車安全條件。

（2）緩和曲線最小長度

港區(qū)道路緩和曲線的最小長度確定可以參考《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01-2003）。

在實(shí)際中考慮到駕駛員駕駛舒適性、安全性、駕駛時(shí)間不宜過短以及超高漸變率適中來具體確定緩和曲線大的最小長度，港區(qū)道路緩和曲線最小長度一般可取80～100 m。

4 結(jié)語

道路平面線形的設(shè)計(jì)會受到社會經(jīng)濟(jì)、自然地理和技術(shù)條件等多重因素的制約。需要設(shè)計(jì)者在進(jìn)行充分調(diào)查、掌握大量可靠資料的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范，結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦?、地質(zhì)和地物等條件，設(shè)計(jì)出一條經(jīng)濟(jì)、合理而又與自然景觀相協(xié)調(diào)的路線。

本文在分析港區(qū)道路交通特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合車輛行駛時(shí)的受力分析，對港區(qū)道路平面線形設(shè)計(jì)過程所采用的線形進(jìn)行了分析，并對各種關(guān)鍵線形控制參數(shù)進(jìn)行了分析和修正，最終設(shè)計(jì)出一條適合港區(qū)特點(diǎn)的道路線形。