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        公路超高及其軟件實(shí)現(xiàn)

        2013-11-09 06:36:56趙聚成楊政文
        山西建筑 2013年29期
        關(guān)鍵詞:橫坡土路路肩

        李 濤 趙聚成 楊政文

        (1.山東中咨公路咨詢設(shè)計(jì)有限公司,山東東營 257091;2.東營市公路勘察設(shè)計(jì)院,山東東營 257091;3.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院,天津 300051;4.北京中路遠(yuǎn)通工程咨詢有限公司,北京 100085)

        1 超高設(shè)計(jì)理論分析

        曲線路段的超高設(shè)計(jì)是公路路線安全設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題,車輛在曲線路段行駛時(shí),由于慣性所產(chǎn)生的離心力主要由道路超高橫坡和橫向力系數(shù)共同承擔(dān),此時(shí)的橫向受力平衡關(guān)系可表示為:

        其中,V為設(shè)計(jì)行車速度;f為路面與輪胎的橫向力系數(shù);i為曲線路段超高值;R為曲線路段半徑。由式(1)可以得出超高值和橫向力系數(shù)之間的關(guān)系。由式(1)可以看出,橫向力系數(shù)對車輛的平穩(wěn)行駛有不良影響。為保證車輛行駛平穩(wěn),在設(shè)計(jì)曲線路段超高時(shí)應(yīng)盡可能減小橫向力系數(shù),則曲線超高必然需要加大。

        2 超高漸變率的選用

        汽車在曲線上行駛過程中,存在一條曲率連續(xù)變化的軌跡線,產(chǎn)生的離心力大小也是與曲率成正比的,突變的曲率會使乘客感覺不舒服;道路由直線上的雙向橫坡變?yōu)閳A曲線上的單向橫坡需要一定長度的過渡段,緩和曲線的設(shè)置合理解決了上述兩個(gè)問題。雙車道公路超高緩和段長度計(jì)算公式為:

        其中,L為超高緩和段長度;B為旋轉(zhuǎn)軸至行車道(設(shè)路緣帶時(shí)為路緣帶)外側(cè)邊緣的寬度;Δi為超高坡度與盧工坡度代數(shù)差;p為超高漸變率。超高漸變率為旋轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)路幅外側(cè)邊緣之間的相對坡度。超高漸變率越小,行車就越舒適安全。

        1)最大超高漸變率。我國的路線規(guī)范規(guī)定了不同設(shè)計(jì)速度的最大超高漸變率,見表1。2)最小超高漸變率。最小超高漸變率是根據(jù)排水要求確定的,一般在正常路拱橫坡情況下,要求道路縱坡不小于0.3%,合成坡度不小于0.5%。超高過渡段中存在道路橫坡接近0%的路段,這樣p就不能太小。要求道路縱坡p≥0.3%≈1/333,因此取整后規(guī)范規(guī)定p≥1/330。

        表1 不同設(shè)計(jì)速度的最大超高漸變率

        3 超高緩和段的設(shè)置

        在我國公路規(guī)范中規(guī)定,在一般情況下,超高緩和段在緩和曲線全場內(nèi)進(jìn)行。在實(shí)際平面線形中,并不是所有情況下緩和曲線的取值都能與緩和段長度相等。進(jìn)行超高設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)先按照規(guī)范給定的p及β,Δi,通過公式計(jì)算出LC,取整數(shù),計(jì)算出LC與LS的關(guān)系,分情況討論,LS為緩和曲線的長度。1)LC<LS,先取LC=LS,計(jì)算出p值。當(dāng)p<1/330時(shí),LC的取值和超高設(shè)計(jì)應(yīng)考慮排水、行車等綜合因素。一般情況下是在p值的情況下,超高過渡段設(shè)置在回旋線某一段范圍內(nèi),且全超高斷面應(yīng)該設(shè)在緩圓點(diǎn)或者圓緩點(diǎn)。2)LC=LS,超高過渡段取緩和曲線全長。3)LC>LS,這種情況一般不會出現(xiàn),筆者暫不考慮。

        4 利用緯地軟件計(jì)算超高實(shí)例

        眾所周知,緯地軟件應(yīng)用靈活,計(jì)算操作簡單,因此也得到了公路行業(yè)的青睞。緯地軟件依托了強(qiáng)大的研發(fā)力量進(jìn)行創(chuàng)新,在近年來為公路設(shè)計(jì)提供了全系列方案,在公路行業(yè)成為了設(shè)計(jì)軟件中的首選。下面筆者通過列舉出緯地道路輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)對于高等級公路(一級和高速公路)的簡單算例進(jìn)行簡要說明,以幫助讀者對于緯地軟件的應(yīng)用進(jìn)一步了解。

        實(shí)例:某擬建高速公路,交點(diǎn)坐標(biāo)與曲線要素如表2所示。斷面組成為:中分帶2 m;兩側(cè)行車道寬度B1=8.0 m,橫坡值i1=2%;兩側(cè)硬路肩寬度B2=2.5 m,橫坡值i2=2%;兩側(cè)土路肩寬度 B3=0.75 m,橫坡值 i3=3%(見表3)。

        表2 交點(diǎn)坐標(biāo)與曲線元素表

        設(shè)計(jì)信息:無加寬;超高漸變率:1/200;最小超高漸變率p=1/330;超高漸變方式為線性;旋轉(zhuǎn)方式圍繞中央分隔帶邊緣旋轉(zhuǎn)。

        如圖1所示為由緯地道路系統(tǒng)自動生成的未經(jīng)修改的超高文件(*.sup)截圖。

        表3 某擬建高速公路斷面組成表

        圖1 超高文件(*.sup)截圖

        [超高文件計(jì)算示例說明1]

        HINTCAD5.83_SUP_SHUJU

        上行為版本說明,以下數(shù)據(jù)格式為:

        因?yàn)镴D1處的R=500 m,對應(yīng)的最大超高值為5%,在進(jìn)入超高緩和段前1 m的地方開始進(jìn)行土路肩變化,即抬肩,在1 m的范圍內(nèi)將曲線內(nèi)側(cè)土路肩由3%過渡到2%,9 999.00表示。忽略此數(shù)據(jù),超高的過渡從前一樁號直接過渡到下一樁號的對應(yīng)超高值。

        JD1的直緩點(diǎn)(ZH),因緩和曲線起點(diǎn)樁號為K0+028.203,緩和曲線長度 Ls=80 m,由可以求出[8.0 ×(-5%-2%)]/80.0=1/142.857 14>1/330,故在全緩和曲線上進(jìn)行超高過渡,取超高緩和段LS=LC。

        超高緩和段從K0+028.203開始,由-2%~2%需要的過渡段長度為L=(B × Δi)/p={8.0 ×[2%- (-2%)]}/(1/142.857 14)=45.715,28.203+45.715=73.918,故加入斷面 K0+073.918。當(dāng)然,在緯地系統(tǒng)里面,采用了上面的數(shù)據(jù)形式進(jìn)行反映,忽略其右側(cè)的數(shù)據(jù),讓其進(jìn)行線性過渡,采用內(nèi)插的辦法也是可以得到這個(gè)樁號的。

        K0+108.203為圓曲線起點(diǎn),即全超高斷面起點(diǎn)。

        K0+274.422為圓曲線終點(diǎn),即全超高斷面終點(diǎn)。

        為保證曲線內(nèi)側(cè)土路肩超高正常過渡,在行車道達(dá)到3%時(shí),讓土路肩也過渡到3%,保證其過渡滿足規(guī)范要求。K0+314.422通過線性內(nèi)插得到。

        由L=(B×Δi)/p=[8.0×(-2%-5%)]/(1/200)=112>80 m,即大于 JD1的后緩和曲線長,由 L(B×Δi)/p=[8.0×(-2%-6%)]/(1/200)128>120 m,即大于 JD2的前緩和曲線長,故在公切點(diǎn)K0+374.422處設(shè)置一零坡斷面,使其超高漸變率p(B×Δi)/LS=[8.0×(0% -5%)]/100=[8.0×(0% -6%)]/120=1/250<1/200,滿足規(guī)范要求。

        為保證曲線內(nèi)側(cè)土路肩超高正常過渡,在行車道達(dá)到3%時(shí),讓土路肩也過渡到3%,保證其過渡滿足規(guī)范要求。K0+434.422可通過線性內(nèi)插得到。

        為滿足新規(guī)范對于硬路肩不能大于5%的要求,加入該斷面,確保行車道和硬路肩能同時(shí)達(dá)到5%。K0+474.422可通過線性內(nèi)插得到。

        K0+494.422為圓曲線起點(diǎn),即全超高斷面起點(diǎn)。注意其硬路肩的絕對值恒為5%。

        K0+605.174為圓曲線終點(diǎn),即全超高斷面終點(diǎn)。注意其硬路肩的絕對值恒為5%。

        為滿足新規(guī)范對于硬路肩不能大于5%的要求而加入的斷面,K0+621.424可通過線性內(nèi)插得到。

        理由同 K0+073.918。

        JD2的后緩和曲線長度LS=150 m,由可以求出L=(B×Δi)/p=[8.0×(-2%-6%)]/(1/200)=128.0 m,取為5的倍數(shù),即130 m,此時(shí)p=1/203.125<1/200,故在部分緩和曲線上進(jìn)行超高過渡,取超高緩和段LC=130 m。由此可推出超高緩和段終點(diǎn)應(yīng)該是 605.174+130 735.174。

        理由同 K0+027.203。

        JD3的緩和曲線長度LS=120 m,由可以求出L=(B×Δi)/p=[8.0×(-2%-2%)]/(1/200)=64.0 m,取為5的倍數(shù),即65 m,此時(shí)p=1/203.125<1/200,故在部分緩和曲線上進(jìn)行超高過渡,取超高緩和段LC=65 m。

        由此可推出超高緩和段終點(diǎn)應(yīng)該是975.021-65.0=910.021。

        注意,因圓曲線半徑R=1 500 m,對應(yīng)的超高值為2%,所以沒有對土路肩進(jìn)行抬肩處理。

        K0+975.021為圓曲線起點(diǎn),即全超高斷面起點(diǎn)。

        K1+076.189為圓曲線起點(diǎn),即全超高斷面起點(diǎn)。

        理由同 K0+910.021。

        路線設(shè)計(jì)終點(diǎn),因?yàn)樵谥本€段上,為正常路拱。

        5 結(jié)語

        規(guī)范提出:“超高的橫坡度應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)車速、曲線半徑、路面類型、自然條件和車輛組成等情況確定。”公路路線超高的合理性設(shè)計(jì)應(yīng)本著從實(shí)際出發(fā)的原則,嚴(yán)格遵守規(guī)范,以安全、舒適、經(jīng)濟(jì)為目的,綜合考慮實(shí)際工程中的區(qū)域特性、自然條件等因素。緯地軟件是超高公路設(shè)計(jì)中最常用的軟件,筆者列舉簡單的計(jì)算案例,希望能夠拋磚引玉,與更多的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行交流促進(jìn)。

        [1]JTG D20-2006,公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

        [2]趙 林.公路超高設(shè)計(jì)合理性的研究與實(shí)踐[J].公路交通技術(shù),2006(3):16-18.

        [3]楊獻(xiàn)波,駱劍躍.公路超高的靈活性設(shè)計(jì)分析[J].交通科技,2009(2):39-42.

        [4]張雨化.道路勘測設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社,2005.

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