[發明專利]一種高速環道橫斷面線形的設計方法

有效

• 申請號: 201810042748.6
• 申請日: 2018-01-16
• 公開（公告）號: CN108121884B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發明（設計）人: 陸濤;王羽塵;馬健霄;宗晨宏
• 申請（專利權）人: 南京林業大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 北京科億知識產權代理事務所(普通合伙) 11350
• 代理人: 王清義

本發明提出一種通過確定車道實際寬度計算推導高速環道圓曲線及緩和曲線路段的橫斷面線形，求解高速環道的精確橫斷面，為橫斷面的合理優化提供依據，從而有效減少路基填筑高度和填挖土方量，減少水泥混凝土路面的異形板塊數量的高速環道橫斷面線形的設計方法，它有效解決緩和曲線路段道路水平寬度變化問題，提高了設計合理性。它包括下述步驟：通過引入高斯消元法，計算橫斷面拋物線線形；確定橫斷面上車道水平寬度對應的車道弦長；再利用區間二分法反復迭代，使得目標車道弦長逼近設計值，得到最終的車道水平寬度和填筑高度，從而確定橫斷面的最終線形。

技術領域

本發明涉及汽車試驗場高速環道的幾何設計技術領域，具體為一種主要用于高速環道彎道路段橫斷面線形的幾何設計方法。

背景技術

高速環道作為汽車試驗場的主體設施，一般要求在相當有限的場地上采用特殊的幾何設計方法為汽車進行連續高速行駛試驗提供有效、安全和比較舒適的運行條件。其平曲線半徑、橫向超高等技術指標要求都遠遠突破了高速公路幾何設計技術標準的限制。另一方面，高速環道的彎道部分完全不同于一般道路，其空間三維曲面的幾何特性對車輛高速行駛時的安全性、舒適性都具有較大影響。高速環道的這些特點決定了對高速環道幾何設計技術進行深入系統的研究具有特殊重要的意義。

與一般公路相同，目前高速環道的橫斷面設計也包括車道數量及路面寬度的確定、橫斷面曲線形式的選擇等。直線路段上的橫斷面通常都根據路面排水的需要來進行設計，而彎道部分的橫斷面則需綜合考慮車輛轉彎時的離心力大小、車輛行駛時的抗傾覆穩定性、輪胎與路面之間的橫向附著系數、路面橫向排水等因素來進行設計。根據世界各國修建高速環道的經驗，其路面水平投影寬度一般為3.75～4.5m。對于轎車專用試車場，則高速環道單車道的寬度可適當減小。

現有的橫斷面線形設計在設計計算方法上存在著局限和不足，主要體現在設計時多采用車道水平寬度進行計算，當道路橫坡較小時(低速車道)，車道水平寬度可近似等同于車道實際寬度，但當道路橫坡較大時(高速車道)，車道實際寬度可達到水平寬度的1.2～1.5倍，路基高度將有所增加，使得路基土方量及車輛能耗也明顯增加。此外，當采用水泥混凝土路面時，傳統設計方法也會產生大量的異形混凝土板塊，增加施工難度。因此，改進高速環道橫斷面設計計算方法不僅關系到高速環道的運行安全、使用效率等，更對工程造價、施工方案、后期維護等方面有著深遠影響。隨著高速環道的建設規模不斷增加，試驗車速不斷提升，現有方法的局限性將更加明顯，改進傳統設計方法勢在必行。

發明內容

本發明的目的在于提出一種通過確定車道實際寬度計算推導高速環道圓曲線及緩和曲線路段的橫斷面線形，求解高速環道的精確橫斷面，為橫斷面的合理優化提供依據，從而有效減少路基填筑高度和填挖土方量，減少水泥混凝土路面的異形板塊數量的高速環道橫斷面線形的設計方法，它有效解決緩和曲線路段道路水平寬度變化問題，提高了設計合理性。

本發明有別于傳統的橫斷面幾何設計方法，通過引入高斯消元法，計算橫斷面拋物線線形，進而確定橫斷面上車道水平寬度對應的車道弦長，再利用區間二分法反復迭代，使得目標車道弦長逼近設計值，得到最終的車道水平寬度和填筑高度，從而確定橫斷面的最終線形，具體流程參見圖4，具體算法如下。

1、約束條件：起點橫坡、起點坐標、銜接點連續及導數連續、路面超高、設計車速和圓曲線半徑的關系，如圖1所示。

令z＝f(x)，當橫斷面各車道曲線線形多項式的最高次項為四次時，有z＝f(x)＝a+bx+cx²+dx³+ex⁴，相鄰曲線多項式最高次項相同時，其高差方程f(x)相同。

則由低速車道至高速車道的各段橫斷面與車道最低點處的高差可以分別表示為：

式中，x——橫斷面任意點與低速車道內側邊緣線的水平距離(m)；