城市道路圆曲线加宽设计的计算方法及参数优化.pdf

2024 年第 1 期124中国高新科技道路交通|ROAD TRAFFIC城市道路圆曲线加宽设计的计算方法及参数优化宋大龙苏交科集团股份有限公司甘肃分公司，甘肃 兰州 730030摘要：在城市道路路线规划设计中，由于机动车在圆曲线道路行驶时机动车前后车轮、内外半径各不相同，前轮外侧圆曲线半径最大，而后轮内侧半径最小且逐渐向内弯曲。为此，文章分析了城市道路圆曲线加宽设计中的 3 种具体情况：加宽后内侧车道中心线与之前道路中心线不重叠、加宽后车道两边道路曲线不协调、加宽后车道过渡路段车道不顺利衔接过渡问题，从而更加科学合理地计算规律、优化其参数，为相关设计提供解决问题更优方法。关键词：城市道路；圆曲线道路加宽；计算方法；参数优化文献标识码：A中图分类号：TU997文章编号：2096-4137（2024）01-124-03DOI：10.13535/ki.10-1507/n.2024.01.36Calculation method and parameter optimization of urban road circular curve widening designSONG DalongSujiao Science Group Co.,Ltd.,Gansu Branch,Lanzhou 730030,ChinaAbstract:In the urban road route planning and design,because the motor vehicle in the circular curve road driving wheel,inside and outside the radius of the motor vehicle is different,the front wheel outside the radius of the circular curve is the largest,the rear wheel inside radius is the smallest and gradually curved inward.To this end,this paper analyzes three specific situations in the widening design of urban road circle curve:the widened middle lane of the rear inner lane does not overlap with the previous middle lane of the road,the road curves on both sides of the widened rear lane are not coordinated,and the lanes in the transition section of the widened rear lane do not connect smoothly,so as to make the calculation rule more scientific and reasonable,optimize its parameters,and provide a better method to solve the problem for related design.Keywords:urban road;circular curve road widening;calculation method;design scheme1城市道路圆曲线道路现状分析若想优化现有城市道路圆曲线参数、计算更为科学和精准，优化方案必须在圆曲线道路实际情况的基础上完成。1.1城市道路圆曲线路段设计现状根据相关道路设计规范，在城市内典型的四车道两个方向行驶的线路中，假设城市内此道路限速为 40km/h，主车道3.5m 宽两条，次车道 3.25m 宽 2 条，交通黄线 0.5m 宽 2 条，车道总计 14m 宽。在这段道路中一部分道路是半径 90m 的圆曲线路段，圆曲线和直线路段中要增加最少长度为 35m 的过渡缓和路段且圆曲线路段可以拓宽，主车道加 0.65m，次车道加 0.4m。具体道路情况如图 1 所示。图1圆曲线路段内侧加宽示意图1.2城市道路圆曲线内侧加宽设计如果道路圆曲线中心线内侧拓宽、外侧不拓宽，完成后的设计图是中心线向中心倾斜，且会拓宽至一半的同心圆半径处。但中心线是基础也是衡量纵向、横向线段的标准，车道的区分和道路中央隔离带的位置也需要中心线来衡量。这样的设计在拓宽后道路旋转轴会超高，然后会产生车道横向不够均匀、竖向有倾斜角度的情况。这里的内侧加宽道路会造成下列问题：车行中心线和道路中心线有偏差，道路占地向圆中心倾斜。1.3城市道路圆曲线双侧加宽设计图2圆曲线路段双侧加宽示意图如图 2 所示，道路两侧均加宽的情况：道路外沿两侧分别加宽 1m、2m，按照上道路设计规范会出现多种困境，如加宽处车道（最外侧车道）边缘曲线与对应直线缓和处成切线，让最边缘车道轨迹反弯。虽然道路两侧都进行拓宽处理，但实际上并不能为相应车道提供更科学的空间。2城市道路圆曲线路段加宽设计的计算方法及参数优化2.1圆曲线路段加宽函数方程计算针对圆曲线路段拓宽设计方法和优化数据参数，需要在相关规范前提下计算新的方程。通过对上文中道路拓宽情况的分析，获取 4 次抛物线加宽方程和线性加宽方程：（1）bx=kb,k=lx/l （2）2024 年第 1 期125中国高新科技ROAD TRAFFIC|道路交通式（1）是四次抛物线方程，bx为道路任意节点处的加宽长度参数（单位是 m），方程右侧 b 为圆曲线线段拓宽数值和（单位是 m）；式（2）是线性方程，lx为任意节点处与拓宽过渡路段起始节点之间距离（单位是 m），方程右侧 l 为过渡路段线段长度（单位是 m），k 为斜率。若对四次抛物线方程求导计算一阶导数和二阶导数，则得出式（3）：（3）式（3）是一阶导数二阶导数方程，一阶导数里当 k 在 0 1 的闭区间变化时，方程左侧 bx 不小于 0。当 k 取值 0或者 1 时，方程左侧取值为 0。二阶导数方程中当 k 取值 0或者 2/3 时，方程左侧取值为 0。从函数图像的角度看，四次抛物线图像总体上在道路过渡路段图像单调递增；图像起始节点和图像终点切线保持 y 轴同一水平处，两个节点都没有角度转折；函数图像起始节点是最小值处，终点是最大值，k=2/3 是个临界点，图像发生扭转，整体呈下凹变为上升形状。线性加宽方程则是直线形式，其斜率为 b 与 l 的比值。2.2直线路段中心线拓宽后分界线计算和参数优化对于线性加宽方程，这里需要用直线中心线中的 x、y 替换方程中的 lx、bx。对于圆曲线的处理，因为方程曲线路段方程图像是递增的，在直线段中心线拓宽情况下起始节点和末端节点都无角度弯曲；在过渡路段也是递增，但是过渡段起始点和末端点有角度弯曲。自此，对于直线加宽圆曲线可以增加一个微型函数结构，即过渡（缓和）曲线。过渡曲线可参照回旋线的内侧圆曲线。过渡曲线方程为：（4）式（4）是过渡曲线方程，方程左侧 p 即为回旋线内侧圆曲线移植，方程右侧 ls是回旋线段整个线段长度，方程右侧R 是提及的圆曲线半径长。这 3 个参数的单位都是 m。2.3基于回旋线中心线拓宽车道分界线计算和参数优化这种车道设计中的分界线图形如图 3 所示，是两种车线图形的组合：回旋线和加宽线。图3回旋线中心线拓宽示意图在加宽后的车道分界线上任意找一点 P（xb，yb），可得：（5）通过式（5）可以计算出理想拓宽后参数方程为：（6）式（6）是理想加宽参数方程，参数 R 是圆曲线的半径；是回旋线某节点横向切线产生的角度；d 是原始车道宽度；点 P、Q 代表变化后（拓宽后）点 M 的两个位置，其中 P 为加宽后车道平分线和回旋线中线上点 M 的起始点，点 Q 为没加宽之前点 M 的位置。经过上文的计算和优化可以看出，回旋线中心线组合四次抛物线是圆曲线过渡路段的理想道路设计，但这种组合只满足圆曲线中心线内侧车道。在用公式推导出函数图像后可以看出，与内侧车道不同，外侧车道函数图像不再是单调递增，而是有多处变化和转折。3城市道路圆曲线路段加宽设计改良方案分析3.1城市道路圆曲线加宽改良方案展示在经过上文的计算方法计算和参数优化后，对案例道路进行如下改良，具体情况如图 4 所示。图4改良后圆曲线路段加宽设计方案由于城市内道路设计面积相对有限，为了让拓宽后线路更加贴近规划边线，如图4所示，用虚线（道路上下两侧均有）表示初始车道边线，用实线描述改良后的两侧车道边线位置。对照图 1 和图 2，在这里把原来四车道两个方向对向行驶线路次车道圆曲线回旋时中线长度增加 2m，初始圆曲线中线 R减少 1m，在这两步参数改变后，再将圆曲线中线内侧车道增加 0.05m，这样整个改良车线过渡更加平滑和协调。这次改良线路对次车道车线优化之处在于对中心线内侧拓宽过渡路段用回旋线中线与四次抛物线加宽组合线进行处理，而对圆曲线中线过渡段的外线用回旋线进行处理。改良后的车道更加科学和美观，也符合道路附近用地规划。3.2城市道路圆曲线加宽改良原则经过对上文中城市道路圆曲线加宽设计方法计算和参数优化分析后可以总结如下要点：（1）道路改良设计后机动车车道中心线应该尽量与道路中心线一致，道路中心线是设计时曲率理想变化的圆曲线，机动车按这条线路行驶则更加科学。如果是双侧道路拓宽情（下转第128页）2024 年第 1 期128中国高新科技道路交通|ROAD TRAFFIC一。在优化交叉口几何设计时，需考虑道路类型、车流组成、车速、行人流量等多方面因素，以满足不同用户的需求。以 B工程的 a 线与 b 路交叉口为例，通过几何设计优化可改善交叉口的通行能力，提高交通效率，减少交通堵塞，确保交通安全。通过该交叉口几何设计，可以合理规划车道布局和数量。在道路类型不同的情况下，对于快速路与次干路的交叉口，需要设计适应高速流通的匝道和专用转向车道，以确保车辆快速安全地进出交叉口。针对横向布局，可采用分离式左转道和右转道，避免左转车辆与直行车辆冲突，进一步提高通行效率，具体如下：在车道数量上，可根据交通流量和行人需求，设置合适数量的车道。例如，增加左转车道和直行车道，以适应不同时段的交通需求。考虑行人和非机动车的通行情况，几何设计也应着重考虑其安全性与便捷性。为此，可以设计人行横道、非机动车道和行人通道，确保行人和非机动车通行时不会与机动车发生冲突。合理设置人行横道位置、非机动车道宽度和疏导设施，以提高行人和非机动车的通行安全性和便捷性，减少事故发生概率。在几何设计过程中，还要考虑交叉口各方向行人通行时间、信号灯设置等因素，以确保行人能够安全、顺畅地穿越交叉口。方案布局如图 1 所示。3结语综上所述，市政道路平面交叉口的优化设计是城市交通规划和设计的重要内容，对改善交通流畅度，降低交通事故率，减少交通拥堵具有重要意义。通过充分考虑交叉口的特定条件，采用合适的设计要点和技术手段，可以使交叉口达到最佳的交通运行状态，为市民提供更加高效、便捷和安全的出行体验。作者简介：李利锋（1990-），男，湖北崇阳人，湖北联富工程设计有限公司工程师，研究方向：路桥设计。参考文献1 王艳美公路桥梁工程集料试验检测技术的应用研究J交通世界（下旬刊），2020（3）：14-152 赵平平公路桥梁中集料试验检测技术研究 J建材与装饰，2019（23）：289-2903 张如艳公路桥梁工程建设中的集料试验检测技术J工程建设与设计，2021（5）：121-123（责任编辑：肖央然）图1方案布局况，那拓宽区域应更贴近原始两侧线型。（2）对于圆曲线中心线外侧车道设计，拓宽宽度应重点放在车道内侧而非外侧。回旋线中线内侧偏移角度和面积应该大于外侧车道拓宽参数，这种设计能让车道内机动车行驶圆曲线路段时更加协调和科学。（3）对于拓宽车道的过渡段车道设计，其加宽层级应缓慢增加，设计时次要车道和主行车道分解线不可存在拐点。过渡车道起始节点和末端节点不能有角度产生，两处节点应由公式计算获取和确定。对于过渡段车道的设计其线型要谨慎处理，过渡段圆曲线中心线内侧车线可采用四次抛物线和回旋线共同处理；对过渡段圆曲线中心线外侧车线可采用回旋线进行处理。4结语针对城市道路圆曲线加宽道路设计问题，本文首先介绍了相关交通道路设计规范，并分析了典型情况下设计人员对圆曲线道路拓宽的处理方式及其不足之处；其次在此基础上针对典型的几种加宽方式，用科学计算方法优化其方案和参数；最后用实例展示了优化后的圆曲线道路拓宽方案并列举总体设计原则，从而寻求更科学合理的设计方案。作者简介：宋大龙（1988-），男，甘肃古浪人，苏交科集团股份有限公司甘肃分公司工程师，研究方向：道路设计。参考文献1 彭勃睿城市道路圆曲线加宽精细化设计 J工程建设，2020，52（3）：33-372 姜诚，张忠杰城市道路圆曲线加宽设计研究 J市政技术，2021，37（2）：42-44，1463 王成玉关于城市道路设计中超高和加宽值的探讨分析 J城市道桥与防洪，2021（6）：28-31，84 何永明，冯佳，权聪，等超高速公路圆曲线加宽设计理论与应用研究 J公路，2022，67（8）：44-495 邓瑶望浅析城市道路立交单车道匝道圆曲线加宽设计指标 J城市道桥与防洪，2022（2）：49-50，60，13（责任编辑：肖央然）（上接第125页）