[发明专利]一种高速环道横断面线形的设计方法

说明书

本发明提出一种通过确定车道实际宽度计算推导高速环道圆曲线及缓和曲线路段的横断面线形，求解高速环道的精确横断面，为横断面的合理优化提供依据，从而有效减少路基填筑高度和填挖土方量，减少水泥混凝土路面的异形板块数量的高速环道横断面线形的设计方法，它有效解决缓和曲线路段道路水平宽度变化问题，提高了设计合理性。它包括下述步骤：通过引入高斯消元法，计算横断面抛物线线形；确定横断面上车道水平宽度对应的车道弦长；再利用区间二分法反复迭代，使得目标车道弦长逼近设计值，得到最终的车道水平宽度和填筑高度，从而确定横断面的最终线形。

技术领域

本发明涉及汽车试验场高速环道的几何设计技术领域，具体为一种主要用于高速环道弯道路段横断面线形的几何设计方法。

背景技术

高速环道作为汽车试验场的主体设施，一般要求在相当有限的场地上采用特殊的几何设计方法为汽车进行连续高速行驶试验提供有效、安全和比较舒适的运行条件。其平曲线半径、横向超高等技术指标要求都远远突破了高速公路几何设计技术标准的限制。另一方面，高速环道的弯道部分完全不同于一般道路，其空间三维曲面的几何特性对车辆高速行驶时的安全性、舒适性都具有较大影响。高速环道的这些特点决定了对高速环道几何设计技术进行深入系统的研究具有特殊重要的意义。

与一般公路相同，目前高速环道的横断面设计也包括车道数量及路面宽度的确定、横断面曲线形式的选择等。直线路段上的横断面通常都根据路面排水的需要来进行设计，而弯道部分的横断面则需综合考虑车辆转弯时的离心力大小、车辆行驶时的抗倾覆稳定性、轮胎与路面之间的横向附着系数、路面横向排水等因素来进行设计。根据世界各国修建高速环道的经验，其路面水平投影宽度一般为3.75～4.5m。对于轿车专用试车场，则高速环道单车道的宽度可适当减小。

现有的横断面线形设计在设计计算方法上存在着局限和不足，主要体现在设计时多采用车道水平宽度进行计算，当道路横坡较小时(低速车道)，车道水平宽度可近似等同于车道实际宽度，但当道路横坡较大时(高速车道)，车道实际宽度可达到水平宽度的1.2～1.5倍，路基高度将有所增加，使得路基土方量及车辆能耗也明显增加。此外，当采用水泥混凝土路面时，传统设计方法也会产生大量的异形混凝土板块，增加施工难度。因此，改进高速环道横断面设计计算方法不仅关系到高速环道的运行安全、使用效率等，更对工程造价、施工方案、后期维护等方面有着深远影响。随着高速环道的建设规模不断增加，试验车速不断提升，现有方法的局限性将更加明显，改进传统设计方法势在必行。

发明内容

本发明的目的在于提出一种通过确定车道实际宽度计算推导高速环道圆曲线及缓和曲线路段的横断面线形，求解高速环道的精确横断面，为横断面的合理优化提供依据，从而有效减少路基填筑高度和填挖土方量，减少水泥混凝土路面的异形板块数量的高速环道横断面线形的设计方法，它有效解决缓和曲线路段道路水平宽度变化问题，提高了设计合理性。

本发明有别于传统的横断面几何设计方法，通过引入高斯消元法，计算横断面抛物线线形，进而确定横断面上车道水平宽度对应的车道弦长，再利用区间二分法反复迭代，使得目标车道弦长逼近设计值，得到最终的车道水平宽度和填筑高度，从而确定横断面的最终线形，具体流程参见图4，具体算法如下。

1、约束条件：起点横坡、起点坐标、衔接点连续及导数连续、路面超高、设计车速和圆曲线半径的关系，如图1所示。

令z＝f(x)，当横断面各车道曲线线形多项式的最高次项为四次时，有z＝f(x)＝a+bx+cx²+dx³+ex⁴，相邻曲线多项式最高次项相同时，其高差方程f(x)相同。

则由低速车道至高速车道的各段横断面与车道最低点处的高差可以分别表示为：

式中，x——横断面任意点与低速车道内侧边缘线的水平距离(m)；