积雪冰冻地区城市快速路纵坡坡度分析研究

曲　超,秦玉峰,李　健

(1.大连市市政设计研究院有限责任公司,辽宁大连116011;2.交通运输部公路科学研究院,北京市 100088)

积雪冰冻地区城市快速路纵坡坡度分析研究

曲超1,秦玉峰1,李健2

(1.大连市市政设计研究院有限责任公司,辽宁大连116011;2.交通运输部公路科学研究院,北京市 100088)

设计速度是满足道路建设预期的重要指标,所有设计参数都应与之相适应,以便取得均衡的设计,纵坡坡度是道路纵断面设计的关键参数之一。本文根据车辆行驶理论,结合通行的主要车型和冰雪条件下大连市城市快速路特征路况,建立车辆最大爬坡能力模型,计算不同档位条件下的小客车和大客车代表车型的最大爬坡度。这可以为类似区域市政道路纵坡设计提供一定参考依据。

积雪冰冻;城市快速路;设计速度;车辆行驶理论;纵坡坡度

1　概述

近年来,我国汽车工业的迅猛发展,私家车保有量无重力式增长,使得无论一线还是二三线城市的城市交通拥堵严重,各城市城建部门想方设法新建扩建城市道路以解决这一交通顽疾。

一般地,在设计城市道路前,工程师首先确定道路等级,然后尽力采用实际上又高又实用的设计速度,以便在环境特性、经济学、美学及社会或政治的影响等约束下,达到所要求的安全性、机动性、高效性等建设预期。设计速度一旦确定,道路的所有相应的设计指标都应与之相适应,以便取得均衡的设计。受设计速度的影响,某些设计参数如平曲线参数、纵坡、超高和视距等)与之相关,并随设计速度的不同有较为明显的变化。

纵坡坡度是道路纵断面设计的关键参数之一,合理的坡度对提高通行能力、减少投资及减少交通事故有较大的影响。但是,受线形衔接配合、用地等因素的制约,特殊情况下纵坡坡度常被迫采用或突破规范推荐的限制值。

日本规定爬坡的设计车型和平衡速度,按动力特征图来计算确定最大纵坡。而我国道路规范采用东风EQ140作为设计车型,研究不同车速时的爬坡能力,通过大量的调查、试验,并广泛征求各方意见,尤其是驾驶员意见,同时考虑拖挂车及畜力车的通行状况,结合交通组成、汽车性能、工程费用和运营情况,经综合分析确定最大纵坡。2012年修编后的《城市道路设计规范》(CJJ37-2012)第6.3.1条关于机动车道最大纵坡的推荐值与限制值如表1 所示「1]。新版《城市道路设计规范》(CJJ37-2012)与91年版规范在此处的设计要求相比变化很小。

表1　机动车道最大纵坡

这里有两个问题:(1)设计车型单一老旧,同时缺乏对各地区不同的交通特征的考量;(2)规范中未对积雪或冰冻地区给予明确定义,同时未指明其具体范围。本文以大连市某快速路的设计实施为背景,针对以上问题进行了研究。

2　工程条件分析

该工程建设标准为城市快速路,设计速度为80 km/h。工程南起大连湾海底隧道,依规划路由南向北延伸,分别上跨梭鱼湾20号路、码头铁路线、东方路、甘北路、中华路、龙华路、振兴路后最终与201国道相接。如图1所示。

图1　工程平面路线图

道路平面设计指标较高,线形相对顺直。但受到海底隧道接线标高的制约,若要连续上跨梭鱼湾20号路、码头铁路线、东方路和甘北路,则本段道路纵坡最少为4%,这无法满足《城市道路设计规范》(CJJ37-2012)的要求,如图2所示。

图2　工程纵断面图

3　交通组成特征分析

据大连市统计局统计,截止2014年底,全市共有民用车辆141.7万辆,增长率为9.2%。其中,全市私家车共120.1万辆,占民用车总数84.8%。而从2014年汽车销售单价分布情况看,20万以下汽车销量占全市总销售量的83%;20～30万元汽车销量占8.6%;30万元以上汽车销量占8.4%。

大连市作为我国重要港口城市和旅游城市,客、货运量大且相对集中。其货运由西北路、西南路、华东路和华北路承担;而由于东北路和东联路的主要结构形式为高架桥,故主要承担的客运交通。该工程桥梁占比较大,且南端通过海底隧道与东港商务区相接,主要承担客运交通。因此借鉴上一年度汽车销售的主力车型及东北路和东联路的交通组成,确定交通组成的主要车型为高尔夫为小型车代表,黄海DD6128C01型客车作为大型客车代表。具体车辆参数详见表2。

表2　各代表车型参数

根据汽车的发动机性能,可以将动力因数转换为速度V的二次函数「3]:

其中,P、Q、W为汽车的性能参数。

式中:U——负荷率,分别取80%和90%;

Mmax——发动机最大扭矩;

MN——最大功率下的扭矩;

nM——最大扭矩对应的转速;

nN——最大功率对应的转速;

γ——总变数比,γ=iO·ik。

由上式可得各车型在不同单位下的动力特征参数,计算结果见表3和4。

4　积雪冰冻特征分析

我国纬度范围从3。51＇N至53。33＇N,处于中、低两个纬度范围。具有高原气候、温带季风气候等5种气候类型。淮河—秦岭作为我国最具代表性的一月0℃等温线,不仅将我国地域区分南北,更是直接表明了我国冬季降水的特点。但是近年来积雪冰冻不仅仅是北方的专利,2008年突如其来的极端冰冻灾害对南方十多个省份交通造成了极大的破坏。此后几年湖南、湖北、江西等省份也数次遭遇冻雨天气。若以规范标准要求,我国除海南、广东和广西等省份外,在设计城市道路的过程中,均需考虑积雪冰冻的问题,这种设计思想未免有些片面。

气温在0℃上下反复变化,降雨、冻雨、雨夹雪和降雪等天气都有可能出现,加之盐溶作用及车轮摩擦等外界作用,最终形成的冰雪路面主要有:松雪路面、雪板路面、雪浆路面和结冰路面等四种形式,如图3所示。

表3　高尔夫不同档位下P、Q、W计算值

表4　黄海DD6128C01型客车不同档位下P、Q、W计算值

图3　冰雪路面各种形式

大连地区是暖温带半湿润季风气候兼有海洋性的气候特点,是东北三省最温暖的地区,年平均气温为8～11℃。冬季1月最冷,平均气温-5℃。冬季降水稀少,降水量为19～29 mm,占年降水量的%,10 mm以上的降雪少见。冬季降雪时,城市快速路及主次干道一般及时清扫并播撒融雪剂,通常不会出现附着系数极小的雪板或结冰路面。本次进行快速路论证研究过程中,考虑最不利的情况为雪浆路面,路面的附着系数f为0.015,所克服的最大坡度值为:

式中:由于大连面临黄海,平均海拔20～60 m,故=1.0。

综上,根据交通组成的主要车型,及其发动机性能,利用机动车的动力因数—速度公式得到的各种车型在不同档位和车速下,计算得到动力特征参数,最终求得各车型在不同车速和雪浆路面条件下的道路最大坡度值,如表5所示。

表5　冰雪条件下大连市道路雪浆路面最大纵坡计算值

5　结论与建议

(1)本文根据车辆行驶理论,结合通行的主要车型和冰雪条件下市政道路路况,建立车辆最大爬坡能力模型,计算不同档位的小客车和大客车代表车型的最大爬坡度。此可为类似区域市政道路纵坡设计提供一定参考依据。

(2)根据特征车辆最大爬坡度计算结果,本文工程为城市快速路,设计速度应调整为60km/h,最大纵坡为4.0%。

(3)本文研究的特征车辆较为局限,还应增加对消防车、救护车和工程车等特种车辆的研究。

(4)城市快速路还可通过设置抗滑路面或导电沥青混凝土路面等手段减轻积雪冰冻条件对行车的影响;设置爬坡车道,分离小客车和大型车辆,提高各型车辆行驶自由度和安全性;促进并完善GIS在城市快速路上的应用,将城市道路打造成“互联网+”式的大数据平台,增强车辆通行能力。

「1] CJJ 37-2012，城市道路工程设计规范「S].

「2] 张雨化.道路勘测设计「M].北京:人民交通出版社，2002.

「3] 叶瑞敏.冰雪条件下城市道路纵坡设计指标研究「D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010.

「4] A POLICY on GEOMETRIC DESIGN of HIGHWAYS and STREETS. Published by American Associationof State Highway and Transportation Officials. Washington， U.S.1984.

U421.3

A

1009-7716(2015)12-0153-03

2015-08-06

曲超(1985-),男,山东莱州人,工程师,从事市政道路桥梁隧道设计工作。