斜拉式半立交十字路口概念设计研究

甘 露， 郑元勋

(1.郑州大学 水利与环境学院 河南 郑州 450001； 2. 东南大学 土木工程学院 江苏 南京 210000)

DOI: 10.13705/j.issn.1671-6841.2016349

斜拉式半立交十字路口概念设计研究

甘 露1,2， 郑元勋1

(1.郑州大学 水利与环境学院 河南 郑州 450001； 2. 东南大学 土木工程学院 江苏 南京 210000)

通过对现有的两相位信号控制十字交叉路口的交通流线分析，基于消除左转的思想提出斜拉半立交的概念设计：将左转车流全部环形立交；环形立交在交叉口不设置墩柱，在交叉口设置斜拉索塔；左转车道纵坡3%，从交叉口200 m处提升至立交桥高度.在进行基础设计后采用PTV-VISSIM微观仿真软件进行仿真分析，输出行程时间与延误时间并与不设置半立交的两相位控制十字交叉路口进行对比分析.结果表明：建立斜拉式半立交后，在两相位信号控制的十字交叉口中直行与左转车流的行程时间与延误时间明显降低，提高了交叉口通行能力.

消除左转； 斜拉； 半立交； 行程时间； 延误时间

DOI: 10.13705/j.issn.1671-6841.2016349

0 引言

近年来，由于城市汽车保有量剧增，大中城市内部在高峰期出现拥堵的现象日益严重.城市道路中交叉口又是城市道路的交通瓶颈，交叉口事故的发生占城市事故发生的一半，由于交叉口拥堵造成的延误约为总延误的1/3[1-2].基于交叉口在城市道路交通中的重要性，国内外专家学者对交叉口进行了具体的分析，其中左转车流对交叉口交通的影响最为明显，平面交叉中左转车流比例对交叉口通行能力有着重要的影响，消除交叉口左转车流能够一定程度上改善交叉口的交通情况[3-4].但目前针对消除左转主要采用的是在信号交叉口设置专门的左转相位[5]或用立体交叉代替平面交叉，但专门设置左转相位会增加信号周期与红灯时长，降低了通行效率[6].而全立体交叉会增加城市道路用地面积以及城市道路的造价.

本文基于在平面交叉口消除左转车流的思想，拟建立将左转车流进行立交的斜拉式环形半立交.该种立交方式将左转车流从交叉口分离，减少了交叉口冲突点的数量，并采用斜拉模式，减少了立交桥在交叉口的墩柱，大大降低了对行车视距的影响.本文在对该种交叉口进行概念设计的基础上，采用微观仿真软件PTV-VISSIM分析输出行程时间与延误时间，在同等条件下与不设置半立交的路口进行对比分析.

1 十字交叉口交通特性分析

通过对无信号十字交叉口的交通流线分析发现十字交叉口冲突点总数为32个[7].两相位信号控制是指在一个信号周期内交换两次通行权(如图1).根据我国交通规则，两相位信号控制时，同一方向直行车流与左转车流在同一相位行驶，右转车流不设置信号灯，绿灯时，左转车流可以在不影响直行车流的情况下进行穿插行驶[8].

在两相位信号控制时，两交叉道路的车流通过信号灯隔开，其路口交叉点(不计入分流合流)情况如图2，此时交叉口相交点只有两个，相比无信号控制的交叉口相交点大大减少.

在两相位控制的基础上，如果消除左转车流的影响，在十字交叉口理论上将不存在相交点，交通情况将得到很大的改善.

图1 两相位信号控制图Fig.1 Two-phase signal control chart

图2 一个相位情况下相交点流线Fig.2 A phase of the intersection point of the flow line

2 斜拉式半立交初步设计

2.1斜拉式半立交的提出

斜拉式半立交即将左转车流进行环形立交(相当于将环形交叉口环岛上移至一定高程)，同时左转环形立交采用中间设立斜拉索塔斜拉环形立交.

图3 斜拉式半立交立体图Fig.3 Trapezoidal semi-collapsing three-dimensional illustration

通过对两相位信号控制十字交叉口的分析发现消除左转将会使得交叉口的交通环境得到很大改善，因此本文基于消除左转的思想提出斜拉式半立交(如图3).

图中交叉口中间建立斜拉索塔斜拉左转环形车道，左转车辆通过左转车道上升至环形立交并与在环形交叉口中行驶方向相同，绕环形立交逆时针行驶至出口.

2.2斜拉式半立交设计

2.2.1左转车道设计 根据城市道路设计规范[9]规定，道路纵坡不宜小于0.5%，道路最大纵坡限制见表1.在本文拟建立的斜拉式半立交中，左转车道逐渐上升至环形立交的高度6 m,其纵坡度采用3%，左转车道桥墩采用双支座独柱墩，增加桥下净空.

2.2.2左转环形立交设计 本文拟建立的环形立交相当于环形交叉口的绕岛行驶，其内半径即可视为环形交叉口环岛半径，根据城市道路设计规范规定，环形交叉口最小环岛半径限制如表2. 本文拟建立的左转环形立交采用内半径37.5 m,外半径45 m，车道宽度为7.5 m.

表1 最大纵坡度

表2 环形交叉口中心岛最小半径

2.3斜拉式半立交的优势

本文拟建立的斜拉式半立交具有的优势有：1) 将左转车流从交叉口中分离，减少了交叉口冲突点：减小了车辆发生大角度碰撞的可能；减少了车辆排队，增加通行能力，减少车辆延误；2) 左转环形立交采用斜拉式，减少了桥墩的数量，对行车视距影响较小，保证行车安全.3) 左转进行环形立交增加了直行车辆的实际绿灯时长，较普通平交路口相比增大了交叉口的通行效率.

3 PTV-VISSIM仿真分析

3.1PTV-VISSIM仿真流程及基础数据

3.1.1VISSIM仿真流程 PTV-VISSIM微观仿真所需要的基本数据包括：车道布置及宽度、交通构成、交通量及交通量分配以及信号灯配时情况，其仿真过程分为4个步骤[10]：

1) 根据设计情况布置路网背景平面图，布置车道及路段连接；

2) 设定交通构成情况及每个路口交通组成与分配；

3) 设定交叉口信号灯形式及配时；

4) 设定输出结果类型并运行仿真.

3.1.2VISSIM仿真基础数据 本文拟建立的仿真分析中基础数据为：车道为双向6车道，单车道宽度为3.75 m；交通构成考虑城市交通情况采用：小汽车0.88，客车0.1，货车0.02；仿真建模采用两主路相交，交通量均采用左转500辆/h、直行400辆/h、右转400辆/h；信号灯采用两相位信号控制，信号周期120 s，绿灯时间45 s，黄灯3 s，相交道路绿灯间隔10 s.

3.2仿真分析

图4 仿真分析路网背景平面图Fig.4 Simulation of road network background plan

本研究在基于基本数据及道路平面图(如图4，半径R为45 m)建立两次仿真分析，分为普通两相位信号控制十字交叉口仿真分析与斜拉式半立交两相位信号控制十字交叉口仿真分析，输出仿真评价文件为4个方向直行道路、4个左转道路行程时间及平均延误时间评价值.在仿真结果中，输出开始时间为120 s(前期车辆未进入交叉口)，记录时间间隔30 s.

3.2.1仿真假设 假设车辆进入路网后各行其道，不进行车道变换；不考虑行人及非机动车的影响；车辆在交叉路口不允许进行掉头，掉头需行驶出交叉口路网.

3.2.2两相位信号控制十字交叉口仿真分析 在本研究中，十字交叉路口采用两相位信号控制，在一个信号周期内交换两次通行权，第一相位为东西道路直行与左转，第二相位为南北道路直行与左转，所有右转车流不设置信号灯，根据所有基础设计建立仿真路网如图5，仿真运行如图6.

图5 仿真路网Fig.5 Simulation road network

在运行仿真后，输出文件包含4个直行道路行程时间(如表3)、4个左转行程时间(如表4)及平均延误时间(如表5).

3.2.3两相位信号控制斜拉式半立交交叉口仿真分析 在建立斜拉式半立交后，左转车道纵坡度为3%，到达交叉口时左转车道高度为6 m，左转车流沿环形立交逆时针行驶至出口.另外，左转车流从交叉口分离出去，此时，交叉口左转车流不再由信号灯控制，两相位信号灯的第一相位为东西直行，第二相位为南北直行.其他的控制条件与两相位信号控制十字交叉口相同.根据基础数据设计仿真路网如图8，仿真运行如图9.

表3 直行车流行程时间

表4 左转车流行程时间

表5 延误时间

在运行仿真后，输出文件包含4个直行道路行程时间(如表6)、4个左转行程时间(如表7)及平均延误时间(如表8).

图7 仿真路网Fig.7 Simulation road network

图8 仿真运行Fig.8 Simulation run

仿真时间/s南北直行北南直行东西直行西东直行行程时间/s车辆数/辆行程时间/s车辆数/辆行程时间/s车辆数/辆行程时间/s车辆数/辆12020.6234.7900001800030335.2961.8824020.74371232.4721.913000020.81000036039.1828.3326.4341.1842020.510090.210048022.2530.91127134.3854060.57101.520022.1260022.2443.11432.4831.911全部34.93138.25534.52939.938

4 仿真结果对比

仿真结果的对比是将两相位信号控制的十字交叉路口的仿真结果与斜拉式半立交两相位信号控制的十字交叉路口仿真结果对比，得出在建立斜拉式半立交后，在行程时间方面与延误时间方面得到改善的程度.

表7 左转车流行程时间

表8 延误时间

4.1直行车流行程时间对比

两次仿真结果对比如图9.通过对比分析可以明显看出：在设立斜拉式半立交后，各直行方向的行程时间均有明显降低.

4.2左转车流行程时间对比

两次仿真结果对比如图10.虽然斜拉式半立交左转车流绕行距离变大但是由于左转分离出交叉口减少了左转车流与直行车流的冲突,通过对比分析可看出在建立斜拉式半立交后左转车流行程时间依然得到了巨大改善.

4.3延误时间对比分析

两次仿真结果对比如图11.

图9 直行车流行程时间对比Fig.9 Travel time contrast of straight traffic

图10 左转车流行程时间对比Fig.10 Travel time contrast of turning left traffic

图11 延误时间对比Fig.11 Contrast of delay time

通过对比分析可以看出，建立斜拉式半立交后，直行车流与左转车流的延误均得到了改善，左转车流改善程度较直行车流改善程度较高，这是由于左转车流在斜拉式半立交中不存在与直行车流的冲突点.

5 结论

通过分析，本文建立的半立交有利于增加交叉路口的通行能力及行车安全性，斜拉式的设计有利于减少交叉口桥墩数量，增加行车视距，保证了行车安全性，同时桥梁造价要低于全立交设计.但是，本文建立的半立交相比平面交叉占地面积稍大，造价更高.

总而言之，本文建立的斜拉式半立交是介于平面交叉与立体交叉之间的一种交叉模式，它的建立有助于增加交叉口通行能力，降低事故率且造价低于立体交叉设计.

[1] 王英杰，宋涛.城市交叉口平面立交交通组织机理及应用研究[J].交通科技与经济，2015，17(4):52-55.

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(责任编辑：王浩毅)

ConceptualDesignofSemi-stayedOverpassIntersection

GAN Lu1,2, ZHENG Yuanxun1

(1.SchoolofWaterConservancyandEnvironment,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450002,China; 2.SchoolofCivilEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210000,China)

The traffic flow of two-phase signal control intersection was analyzed. Based on eliminating left traffic a conceptual design of cable-stayed interchange was proposed. All left traffic should be eliminated through interchange design. There should be no any pier set at the intersection, but a pylon. Left-turn lane′s longitudinal gradient would be 3%, and the height of interchange would be increased from 200m. After the basic design, the simulation results were analyzed by PTV-VISSIM micro simulation software, and the output travel time and delay time were compared with the output of the two-phase control crossroads without half-crossing. The results showed that after the interchange, the travel time and delay time of the straight and left turn traffic in the crossroads controlled by the two-phase signal were obviously reduced, and the traffic capacity of the intersection was improved.

left elimination; the oblique; half interchange; travel time; delays

2016-11-30

河南省教委自然科学基金项目(16A580001);河南省交通运输厅科技项目(2014k37-2)；河南省交通运输厅科技攻关项目(2013-2-12).

甘露(1996—)，男，安徽安庆人，主要从事道路桥梁相关研究，E-mail:marcganchina@163.com；通讯作者：郑元勋(1978—)，男，河南驻马店人，副教授，主要从事道路桥梁相关研究.

U412.3

A

1671-6841(2017)04-0119-07