南部非洲幾何設(shè)計規(guī)范平面線形設(shè)計綜述

李起偉，安冠宇

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

“標準是國際合作、互聯(lián)互通的通用語言，是全球治理體系和經(jīng)貿(mào)合作發(fā)展的重要技術(shù)基礎(chǔ)?！粠б宦贰鼐€各國基礎(chǔ)設(shè)施標準體系各異，有的尚未建立標準體系，對基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通形成制約?；ヂ?lián)互通、標準先行，加強沿線各國標準對接，推動標準互通，形成無空白、無交叉、無沖突的標準規(guī)范，將為‘一帶一路’沿線國家基礎(chǔ)設(shè)施互聯(lián)互通、安全運行提供強有力的保障”。南部非洲作為絲綢之路的歷史和自然延伸，是“一帶一路”建設(shè)的重要方向。在發(fā)揮中國優(yōu)勢、加快中國公路工程技術(shù)標準“走出去”的基礎(chǔ)上，積極與國外標準對接，掌握國外的設(shè)計理念和方法，設(shè)計出符合當?shù)厍闆r的高質(zhì)量人文生態(tài)公路，助力“一帶一路”建設(shè)，意義重大。

為了加強與國外標準對接，該文以適用于南共體的2001年版南部非洲幾何設(shè)計規(guī)范為基礎(chǔ)，圍繞公路的平面線形設(shè)計，論述直線、圓曲線、超高和圓曲線加寬的設(shè)計條件及要求，以期為從事公路幾何設(shè)計的人員提供參考和借鑒。

1 直線

1.1 直線長度

直線是平面線形的基本要素之一。一方面，長直線易使駕駛者感到單調(diào)和厭倦，并導(dǎo)致出現(xiàn)超速行駛狀態(tài)，進而降低行車安全度；另一方面，短直線將使相鄰曲線間沒有足夠長的距離進行超高過渡。更為重要的是，直線的長度與行車安全密切相關(guān)(直線包括曲率為0的直線和大于在120 km/h的設(shè)計速度下不設(shè)超高圓曲線半徑的圓曲線)。隨著直線長度的增加，車輛碰撞事故率先下降再增加，以近似對稱拋物線的方式變化。最低事故率出現(xiàn)在直線長度約等于12 km時的位置。當直線長度達到20 km時，事故率大致等于直線終點處曲線的曲率值。因此，推薦12 km作為直線最大長度。當交通量調(diào)查和預(yù)測夜間行駛車輛較多時，直線長度宜小于12 km。

直線最小長度應(yīng)滿足相鄰圓曲線間設(shè)置超高的需要。根據(jù)經(jīng)驗，直線最小長度可取值200 m。

1.2 直線方位

在日出和日落時分，東西走向的直線線形會導(dǎo)致駕駛者出現(xiàn)眩目現(xiàn)象，因此應(yīng)控制東西走向的直線長度，限制有效眩目的距離。

直線方位和縱坡的組合導(dǎo)致眩目現(xiàn)象在一天的不同時刻出現(xiàn)。其中，正西向北偏5°的直線和6%的縱坡組合，會使太陽在下午16：00左右徑直照射在道路中心線上，所造成的眩目現(xiàn)象最為嚴重。

具體公路項目設(shè)計中，應(yīng)評估直線方位，找出潛在的可能發(fā)生眩目現(xiàn)象的位置，通過改變直線方位及縱坡大小，降低眩目的危險。因條件限制，不能通過改變直線方位及縱坡大小消除眩目現(xiàn)象時，應(yīng)增設(shè)必要的提醒和警示標志。

2 圓曲線

2.1 圓曲線最小半徑

圓曲線最小半徑是給定設(shè)計速度下采用的極限值，由最大超高值和最大允許橫向力系數(shù)確定，具體見表1。

表1 圓曲線最小半徑

2.2 圓曲線最小長度

對于小轉(zhuǎn)角路線，可設(shè)置足夠長度的曲線，避免路容出現(xiàn)扭折，其長度不小于300 m。當條件受限時，曲線最小長度可減少到150 m。當路線轉(zhuǎn)角小于5°時，路線轉(zhuǎn)角每減少1°，曲線最小長度應(yīng)在150 m的基礎(chǔ)上相應(yīng)地增加30 m。

2.3 圓曲線最大長度

長曲線，特別是半徑接近于最小值的長曲線，會使車輛實際行駛速度與設(shè)計速度之差大于20 km/h，易導(dǎo)致追尾。長曲線引起的另外一個主要問題是限制了超車的機會。因此，不管對兩車道公路，還是多車道公路，圓曲線最大長度的極限值不應(yīng)大于1 000 m，一般值不大于800 m。

3 緩和曲線

當圓曲線超高大于等于最大超高值的60%時，宜設(shè)置緩和曲線。緩和曲線推薦使用回旋線，其長度宜等于從外側(cè)車道路拱橫坡度值為0的位置到全超高斷面位置所需要的超高過渡長度?；匦€的長度計算公式參見式(1)：

L=0.070 2V3/(R×C)

(1)

式中：L為回旋線長度(m)；V為設(shè)計速度(km/h)；R為回旋線終點的半徑(m)；C為向心加速度增長率(m/s3)。

向心加速度增長率C的取值范圍為1.0～3.0 m/s3。當C值分別取1.0、3.0 m/s3時，計算得到回旋線長度的最大值、最小值。

4 超高

4.1 超高計算公式

根據(jù)力學(xué)定律，汽車在曲線上行駛時有以下公式：

e+f=V2/127R

(2)

式中：e為超高；f為橫向力系數(shù)；V為設(shè)計速度(km/h)；R為曲線半徑(m)。

根據(jù)最大超高值和最大橫向力系數(shù)，可以確定給定速度下圓曲線最小半徑。

對于一般地區(qū)公路，圓曲線部分的最大超高可采用10%；對于泥結(jié)碎石路面公路，因其易在最大超高值為10%時受到?jīng)_刷，應(yīng)選用較低的最大超高。

4.2 最大橫向力系數(shù)

在公路設(shè)計中最大橫向力系數(shù)應(yīng)按式(3)計算：

fmax=0.19-V/1 600

(3)

式中：fmax為最大橫向力系數(shù)；V為設(shè)計速度(km/h)。

4.3 超高分布

推薦的超高分布，是由超高抵消在平均運行速度下產(chǎn)生的所有離心力，由橫向力系數(shù)抵消在較高速度下產(chǎn)生的額外的離心力。圖1為在最大超高值為10%時超高率和圓曲線半徑的關(guān)系。

圖1 最大超高值10%時不同設(shè)計速度和

4.4 超高曲線過渡段長度

超高從外側(cè)車道路拱橫坡度值為0過渡到到全超高斷面所需要的過渡長度，稱為曲線過渡段長度。從正常路拱橫坡度過渡到外側(cè)車道路拱橫坡度值為0的距離，稱為直線過渡段長度。從當前設(shè)計實踐的角度來講，控制超高曲線過渡段長度的主要因素是道路外觀。路面旋轉(zhuǎn)角速度過大，使路面邊緣產(chǎn)生看起來有些曲折似的缺欠。

4.4.1 超高漸變率

根據(jù)實踐經(jīng)驗，宜采用表2中列出的超高漸變率計算超高曲線過渡段長度。

4.4.2 超高曲線過渡段長度的計算方法

超高曲線過渡段長度的計算方法為全超高斷面的車道邊緣與旋轉(zhuǎn)軸之間的高差除以超高漸變率，計算公式見式(4)：

Lr=ewl/s

(4)

式中：Lr為超高曲線過渡段長度(m)；w為車道寬度(m)；e為超高值(%)；s為超高漸變率(%)；l為車道系數(shù)(m)，見表3。

表2 超高漸變率

表3 車道系數(shù)

注：非分開式公路是標準橫斷面為整體式，且無中間帶的公路；分開式公路是準橫斷面為整體式且有中間帶或為分離式的公路。

直線過渡段長度的計算方法與曲線過渡段相同，正常路拱橫坡度可取值2%。

4.4.3 超高曲線過渡段最小長度

兩車道道路的超高曲線過渡段最小長度，是按表2中列出的超高漸變率增加50%后，經(jīng)代入公式(4)計算，整理得出的結(jié)果(表4)。雖然超高曲線過渡段最大長度沒有限制，但是太長的超高曲線過渡段可能導(dǎo)致超高曲線過渡段起點附近排水不暢，在公路設(shè)計時需予以考慮。

表4 兩車道道路的超高曲線過渡段最小長度

4.4.4 超高方式

當設(shè)置緩和曲線時，超高曲線過渡段與緩和曲線重合，超高直線過渡段設(shè)置在直線上。

當不設(shè)置緩和曲線時，直線和圓曲線上必須同時包含超高曲線過渡段。全超高斷面布設(shè)在直圓點(或圓直點)，或者直圓點(或圓直點)不設(shè)置超高，兩者皆不可取。習(xí)慣做法是將2/3的超高曲線過渡段設(shè)置在直線上，將1/3的超高曲線過渡段設(shè)置在圓曲線上。這種做法符合車輛的實際行駛軌跡(圖2)。

圖2 超高方式圖

5 圓曲線加寬

車輛在小半徑的圓曲線上行駛時，后輪的輪跡在前輪的內(nèi)側(cè)，導(dǎo)致車輛占據(jù)更大的空間，且駕駛者難以保持車輛在車道的中心位置，為了給車輛提供合理的空間，需要在圓曲線路段進行加寬。圓曲線加寬方法引用AASHTO的規(guī)定，見式(5)：

WC=N(U+C)+(N-1)FA+Z

(5)

式中:WC為曲線上行車道的總寬度(m)；N為車道數(shù)；U為設(shè)計車輛的輪跡寬度(m)；C為橫向凈距；FA為內(nèi)側(cè)車道上車輛的前懸寬度(m)；Z為附加寬度。

從結(jié)構(gòu)角度來說，圓曲線加寬影響路容美觀，而且造價高，設(shè)計中采用過小的加寬值將得不償失。因此圓曲線加寬值不宜小于0.6 m。如果計算得到的加寬值小于0.6 m，則忽略圓曲線加寬。根據(jù)式(5)計算后整理得到的行車道總寬度見圖3。

6 結(jié)論

相對于中國公路路線設(shè)計理論和方法，南部非洲幾何設(shè)計規(guī)范的平面線形設(shè)計有以下特點：

(1) 在公路項目設(shè)計中應(yīng)評估直線線形的走向，減小眩目現(xiàn)象對駕駛者的影響。

(2) 圓曲線最大長度的極限值不應(yīng)大于1 000 m，一般值不大于800 m。

(3) 當圓曲線超高小于等于最大超高值的60%時，宜設(shè)置緩和曲線。

(4) 當設(shè)置緩和曲線時，超高曲線過渡段與緩和曲線重合，超高直線過渡段設(shè)置在直線上；當不設(shè)置緩和曲線時，習(xí)慣做法是將2/3的超高曲線過渡段設(shè)置在直線上，將1/3的超高曲線過渡段設(shè)置在圓曲線上。