城市道路超高設(shè)計(jì)分析

梁曉飛

[林同棪國(guó)際工程咨詢（中國(guó)）有限公司廣州公司，廣東廣州510800]

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化建設(shè)的發(fā)展，在新建道路中平面線形受沿線用地、拆遷、地形等各種因素影響越來(lái)越多，平曲線在線形設(shè)計(jì)中所占的比例越來(lái)越大。如果圓曲線半徑的取值小于規(guī)范中規(guī)定的不設(shè)超高最小圓曲線半徑，就應(yīng)該在曲線范圍內(nèi)設(shè)計(jì)全超高，從正常路段的雙向路拱橫坡斷面，逐步到圓曲線段內(nèi)低外高的全超高單向橫斷面。超高的合理化設(shè)計(jì)直接對(duì)行車(chē)的平穩(wěn)、安全、舒適造成影響。

1 超高必要性

當(dāng)汽車(chē)在平曲線上時(shí)將出現(xiàn)離心力，離心力的方向與圓心水平背離。路面超高所產(chǎn)生的橫向力和路面與輪胎之間的摩擦力可以消除在道路曲線上行駛時(shí)汽車(chē)所承擔(dān)的離心力，從而確保汽車(chē)橫向穩(wěn)定，保證汽車(chē)行駛能夠安全順利。當(dāng)?shù)缆穲A曲線半徑較小、行駛速度較大時(shí)，汽車(chē)在正常橫坡度下產(chǎn)生的橫向力與摩擦力小于離心力，會(huì)使汽車(chē)向外側(cè)滑移或傾覆。

通過(guò)對(duì)汽車(chē)行駛受力分析，離心力F 大小如下：

依據(jù)規(guī)范，可以由圓曲線半徑的通用計(jì)算方程式推算出超高橫坡度的計(jì)算方程式，如下所示：

式（2）中：R表示曲線半徑(m)；V表示速度（km/h）；μ表示橫向力系數(shù)，為路面和輪胎間產(chǎn)生的橫向摩阻系數(shù)；i表示路面橫坡度（超高橫坡度），一般采用小數(shù)表示，當(dāng)為反超高時(shí)采用負(fù)值。

根據(jù)上述公式可以得出，設(shè)計(jì)速度、曲線半徑均為設(shè)計(jì)已有因素，所以要得到超高值，就要明確橫向力系數(shù)μ的具體取值。

2 超高的關(guān)鍵問(wèn)題

2.1 橫向力系數(shù)

橫向力系數(shù)的取值不僅影響著汽車(chē)的平穩(wěn)程度，而且影響著乘客的舒適感、燃料和輪胎的損耗以及其他方面，所以在對(duì)μ值的選取時(shí)不僅要確保汽車(chē)在圓曲線上行駛時(shí)的橫向穩(wěn)定性，還需要充分考慮乘客的舒適、經(jīng)濟(jì)的要求，還需要考慮燃料和輪胎的消耗程度。

通過(guò)對(duì)相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行分析，在彎道上行駛與在直線上行駛相比，當(dāng)μ的取值為0.10 時(shí)，汽車(chē)的燃料損耗提高10%，汽車(chē)的輪胎磨耗提高1.2 倍；當(dāng)μ的取值為0.15 時(shí)，汽車(chē)的燃料損耗提高20%，汽車(chē)的輪胎磨耗提高2.9 倍。所以可以得出，在對(duì)最小圓曲線半徑進(jìn)行計(jì)算時(shí)，μ的取值最好小于0.15。

根據(jù)橫向力系數(shù)與乘客舒適度的相關(guān)研究得出以下結(jié)論：當(dāng)μ＜0.1，乘客轉(zhuǎn)彎時(shí)不感到有曲線存在，很平穩(wěn)；當(dāng)μ=0.15，乘客轉(zhuǎn)彎時(shí)略感到有曲線存在，但尚平穩(wěn)；當(dāng)μ=0.2，乘客轉(zhuǎn)彎時(shí)已感到有曲線存在，并略感到不穩(wěn)定，當(dāng)μ=0.35，乘客轉(zhuǎn)彎時(shí)明顯感到有曲線存在，并明顯感到不穩(wěn)定；當(dāng)μ≥0.4，轉(zhuǎn)彎時(shí)感到非常不穩(wěn)定，有傾倒危險(xiǎn)感。

現(xiàn)行的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B01—2014）中，不設(shè)超高情況下路拱橫坡度i=1.5% 時(shí)，μ值按0.035 取，路拱橫坡度i=2.0%時(shí)，μ值按0.040 取；設(shè)超高情況下橫向力系數(shù)μ=（0.1～0.17），設(shè)計(jì)速度越高，值越小，超高值i=2%～10%。

根據(jù)《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ37—2012），城市道路不設(shè)超高最小半徑是根據(jù)μ=0.0617、i=2%，計(jì)算而得。設(shè)超高最小半徑一般值按μ=0.0617 計(jì)算得到，設(shè)超高最小半徑極限值μ=（0.14～0.16），設(shè)計(jì)速度越高，值越小，超高值i=2%～6%。

與公路規(guī)范對(duì)比分析，城市道路橫向力系數(shù)取值比公路規(guī)范取值稍大，最大超高值較公路小，但乘客舒適感程度差不多。有以下幾點(diǎn)原因：城市道路兩側(cè)開(kāi)發(fā)程度高，設(shè)置超高兩側(cè)建筑難以協(xié)調(diào)，影響城市街景；城市道路人行及機(jī)動(dòng)車(chē)多，路口較近，車(chē)速一般較低；城市道路以小汽車(chē)為主，貨車(chē)較少。

2.2 最大超高值

對(duì)于快速路，由于設(shè)計(jì)速度較大，汽車(chē)行駛時(shí)產(chǎn)生的離心力將也比較大，超高橫坡度的取值可以比一般規(guī)定值高一些。

對(duì)于城市道路，由于受交叉口、非機(jī)動(dòng)車(chē)、兩側(cè)建筑的影響，超高橫坡度的取值不適合太大。

在充分考慮各方面的影響后，規(guī)范中最大的超高橫坡度如下所示：當(dāng)設(shè)計(jì)速度為100km/h、80km/h時(shí)，最大的超高橫坡度為6%；當(dāng)設(shè)計(jì)速度為60km/h、50km/h 時(shí)，最大的超高橫坡度為4%；當(dāng)設(shè)計(jì)速度小于或等于40km/h 時(shí)，最大的超高橫坡度為2%。

2.3 超高形式

超高的過(guò)渡方式一般劃分為無(wú)中央分隔帶、有中央分隔帶，對(duì)于分離式路基的超高過(guò)渡方式，參考無(wú)中間帶的超高形式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3.1 無(wú)中央分隔帶

（1）當(dāng)超高與路拱橫坡相等時(shí)，僅需要考慮將外側(cè)行車(chē)道繞中線逐步抬高旋轉(zhuǎn)，直至與內(nèi)側(cè)橫坡相等。

（2）當(dāng)超高較路拱坡度更大時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)情況選用如下過(guò)渡方式：

繞內(nèi)側(cè)車(chē)道邊緣旋轉(zhuǎn)：對(duì)外側(cè)車(chē)道繞路中線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)與內(nèi)側(cè)橫坡相等時(shí)，整個(gè)斷面再同時(shí)繞內(nèi)側(cè)到邊緣線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。這種方法利于路面縱向排水，多用于新建道路。繞路中線旋轉(zhuǎn)：先讓外側(cè)車(chē)道繞車(chē)行道中線旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)至同一橫坡時(shí)，再讓整幅道路繞中線旋轉(zhuǎn)，一般在舊路改造中使用較多。繞外側(cè)車(chē)道邊緣旋轉(zhuǎn)：外車(chē)道先繞邊線旋轉(zhuǎn)至與內(nèi)車(chē)道同一橫坡，內(nèi)車(chē)道橫坡不坡，然后再讓內(nèi)外側(cè)車(chē)道繞外邊緣旋轉(zhuǎn)。因?yàn)槌咝问捷^為特殊，一般用于舊路條件受限情況。

2.3.2 有中央分隔帶

繞中間帶的中心線旋轉(zhuǎn)：對(duì)外側(cè)車(chē)道繞分隔帶邊線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，當(dāng)與內(nèi)側(cè)橫坡相等時(shí)，整個(gè)斷面再繞中央分隔帶中線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，這時(shí)中央分隔帶為傾斜狀，存在高差。繞中央分隔帶邊緣旋轉(zhuǎn)：讓兩側(cè)車(chē)行道分別繞分隔帶邊緣線旋轉(zhuǎn)，該方式中央分隔帶無(wú)高差。分別繞行車(chē)道中線旋轉(zhuǎn)：讓兩側(cè)車(chē)行道分別繞車(chē)行道中心線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，此時(shí)兩側(cè)車(chē)行道超高斷面是獨(dú)立的，內(nèi)側(cè)中央分隔帶邊緣線抬升，外側(cè)中央分隔帶邊緣線降低，該超高形式一般用于單幅大于4 車(chē)道的道路。

2.4 超高緩和段

在設(shè)計(jì)超高時(shí)，由正常路拱漸變到全超高需要設(shè)置超高緩和段，超高緩和段長(zhǎng)度一般按以下公式計(jì)算：）

式（3）中：Le為超高緩和段長(zhǎng)度（m）；b 為超高旋轉(zhuǎn)軸至路面邊緣的寬度（m）；Δi 為超高橫坡值與道路坡度的代數(shù)差（%）；ε 為超高漸變率。

對(duì)于超高過(guò)渡段長(zhǎng)度的計(jì)算，在設(shè)計(jì)還需要注意以下幾點(diǎn)：不同超旋轉(zhuǎn)軸最大超高漸變率略有不同，設(shè)計(jì)時(shí)需滿足《城市道路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ193—2012）中對(duì)最大超高漸變率的要求，需避免超高漸變過(guò)急，影響行車(chē)舒適性。超高緩和段一般設(shè)置在緩和曲線全長(zhǎng)范圍，但對(duì)于高等級(jí)道路，路線可能采用較長(zhǎng)的緩和曲線，此時(shí)需考慮最小超高漸變率，為避免路面排水不順，超高緩和可設(shè)置在緩和曲線的某一段內(nèi)。小于40km/h 時(shí)，超高過(guò)渡段可設(shè)置于直線范圍內(nèi)。

3 結(jié)合工程案例對(duì)城市道路超高的探討

城市道路主要具有功能多樣性、交通組成復(fù)雜、交叉口多的特點(diǎn)，車(chē)輛運(yùn)行速度較低，有非機(jī)動(dòng)車(chē)和行人的需求，且城市道路兩側(cè)開(kāi)發(fā)度高，對(duì)城市景觀要求高，因此城市道路超高的設(shè)置并不友好。筆者認(rèn)為從超高設(shè)置需要理解計(jì)算原理，可直接通過(guò)城市道路路線設(shè)計(jì)規(guī)范取值，或是通過(guò)理論計(jì)算取值。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，宜具體問(wèn)題具體分析，設(shè)計(jì)時(shí)靈活應(yīng)用規(guī)范，合理設(shè)置超高。

案例：肇慶四會(huì)市某條東西向城市主干路，道路長(zhǎng)全約2.2km，設(shè)計(jì)速度50km/h，道路采用雙向六車(chē)道。其中，JD2 與規(guī)劃30m 城市次干路相交，交點(diǎn)為兩條道路中心線交點(diǎn)，半徑=250m。道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為：5.5m（人行道）+11.5m（機(jī)動(dòng)車(chē)道）+6m（中央綠化帶）+11.5m（機(jī)動(dòng)車(chē)道）+5.5m（人行道）=40m，車(chē)行道采用2%橫坡，人行道橫坡為1%。

3.1 規(guī)范取值

根據(jù)《城市道路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ193—2012），本項(xiàng)目為城市主干路，設(shè)計(jì)速度50km/h，不設(shè)超高半徑為400m，JD2 位置圓曲線半徑R=250m，小于規(guī)范不設(shè)超高半徑值。

取μ= 0.067 計(jì)，根據(jù)超高橫坡計(jì)算公式，算如下：

因此，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)半徑R=250m 時(shí)，交叉口需設(shè)置2%的超高值。

3.2 理論計(jì)算取值

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)速度為50km/h，道路采用2%橫坡，根據(jù)公式推導(dǎo)，計(jì)算u 值：

根據(jù)橫向力系數(shù)與乘客舒適度分析，故本項(xiàng)目在正常路拱情況下，通過(guò)理論計(jì)算，μ ＜0.1，乘客在轉(zhuǎn)彎時(shí)不感到有曲線存在，很平穩(wěn)。

因此，考慮到交叉口設(shè)計(jì)速度為路段的0.5～0.7倍，實(shí)際交叉口處車(chē)輛運(yùn)行速度低于50km/h，故本項(xiàng)目通過(guò)理論計(jì)算不設(shè)置超高更為合理。

4 結(jié)語(yǔ)

本著“以人為本、資源節(jié)約、環(huán)境友好”的設(shè)計(jì)原則，在城市道路設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于路線容易受地形地貌、征地拆遷等因素影響，在路線設(shè)計(jì)中，采用了小于規(guī)范不設(shè)超高最小半徑，圓曲線宜設(shè)置超高。本文在對(duì)超高原理的分析基礎(chǔ)上，提出在超高設(shè)計(jì)時(shí)可直接按規(guī)范取值，或通過(guò)理論計(jì)算取值。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，宜具體問(wèn)題具體分析，設(shè)計(jì)時(shí)靈活應(yīng)用規(guī)范，合理設(shè)置超高。