城市道路超高设计分析

梁晓飞

[林同棪国际工程咨询（中国）有限公司广州公司，广东广州510800]

0 引言

随着城镇化建设的发展，在新建道路中平面线形受沿线用地、拆迁、地形等各种因素影响越来越多，平曲线在线形设计中所占的比例越来越大。如果圆曲线半径的取值小于规范中规定的不设超高最小圆曲线半径，就应该在曲线范围内设计全超高，从正常路段的双向路拱横坡断面，逐步到圆曲线段内低外高的全超高单向横断面。超高的合理化设计直接对行车的平稳、安全、舒适造成影响。

1 超高必要性

当汽车在平曲线上时将出现离心力，离心力的方向与圆心水平背离。路面超高所产生的横向力和路面与轮胎之间的摩擦力可以消除在道路曲线上行驶时汽车所承担的离心力，从而确保汽车横向稳定，保证汽车行驶能够安全顺利。当道路圆曲线半径较小、行驶速度较大时，汽车在正常横坡度下产生的横向力与摩擦力小于离心力，会使汽车向外侧滑移或倾覆。

通过对汽车行驶受力分析，离心力F 大小如下：

依据规范，可以由圆曲线半径的通用计算方程式推算出超高横坡度的计算方程式，如下所示：

式（2）中：R表示曲线半径(m)；V表示速度（km/h）；μ表示横向力系数，为路面和轮胎间产生的横向摩阻系数；i表示路面横坡度（超高横坡度），一般采用小数表示，当为反超高时采用负值。

根据上述公式可以得出，设计速度、曲线半径均为设计已有因素，所以要得到超高值，就要明确横向力系数μ的具体取值。

2 超高的关键问题

2.1 横向力系数

横向力系数的取值不仅影响着汽车的平稳程度，而且影响着乘客的舒适感、燃料和轮胎的损耗以及其他方面，所以在对μ值的选取时不仅要确保汽车在圆曲线上行驶时的横向稳定性，还需要充分考虑乘客的舒适、经济的要求，还需要考虑燃料和轮胎的消耗程度。

通过对相关试验进行分析，在弯道上行驶与在直线上行驶相比，当μ的取值为0.10 时，汽车的燃料损耗提高10%，汽车的轮胎磨耗提高1.2 倍；当μ的取值为0.15 时，汽车的燃料损耗提高20%，汽车的轮胎磨耗提高2.9 倍。所以可以得出，在对最小圆曲线半径进行计算时，μ的取值最好小于0.15。

根据横向力系数与乘客舒适度的相关研究得出以下结论：当μ＜0.1，乘客转弯时不感到有曲线存在，很平稳；当μ=0.15，乘客转弯时略感到有曲线存在，但尚平稳；当μ=0.2，乘客转弯时已感到有曲线存在，并略感到不稳定，当μ=0.35，乘客转弯时明显感到有曲线存在，并明显感到不稳定；当μ≥0.4，转弯时感到非常不稳定，有倾倒危险感。

现行的《公路工程技术标准》（JTG B01—2014）中，不设超高情况下路拱横坡度i=1.5% 时，μ值按0.035 取，路拱横坡度i=2.0%时，μ值按0.040 取；设超高情况下横向力系数μ=（0.1～0.17），设计速度越高，值越小，超高值i=2%～10%。

根据《城市道路工程设计规范》（CJJ37—2012），城市道路不设超高最小半径是根据μ=0.0617、i=2%，计算而得。设超高最小半径一般值按μ=0.0617 计算得到，设超高最小半径极限值μ=（0.14～0.16），设计速度越高，值越小，超高值i=2%～6%。

与公路规范对比分析，城市道路横向力系数取值比公路规范取值稍大，最大超高值较公路小，但乘客舒适感程度差不多。有以下几点原因：城市道路两侧开发程度高，设置超高两侧建筑难以协调，影响城市街景；城市道路人行及机动车多，路口较近，车速一般较低；城市道路以小汽车为主，货车较少。

2.2 最大超高值

对于快速路，由于设计速度较大，汽车行驶时产生的离心力将也比较大，超高横坡度的取值可以比一般规定值高一些。

对于城市道路，由于受交叉口、非机动车、两侧建筑的影响，超高横坡度的取值不适合太大。

在充分考虑各方面的影响后，规范中最大的超高横坡度如下所示：当设计速度为100km/h、80km/h时，最大的超高横坡度为6%；当设计速度为60km/h、50km/h 时，最大的超高横坡度为4%；当设计速度小于或等于40km/h 时，最大的超高横坡度为2%。

2.3 超高形式

超高的过渡方式一般划分为无中央分隔带、有中央分隔带，对于分离式路基的超高过渡方式，参考无中间带的超高形式进行设计。

2.3.1 无中央分隔带

（1）当超高与路拱横坡相等时，仅需要考虑将外侧行车道绕中线逐步抬高旋转，直至与内侧横坡相等。

（2）当超高较路拱坡度更大时，应当根据情况选用如下过渡方式：

绕内侧车道边缘旋转：对外侧车道绕路中线进行旋转，当与内侧横坡相等时，整个断面再同时绕内侧到边缘线进行旋转。这种方法利于路面纵向排水，多用于新建道路。绕路中线旋转：先让外侧车道绕车行道中线旋转，当旋转至同一横坡时，再让整幅道路绕中线旋转，一般在旧路改造中使用较多。绕外侧车道边缘旋转：外车道先绕边线旋转至与内车道同一横坡，内车道横坡不坡，然后再让内外侧车道绕外边缘旋转。因为超高形式较为特殊，一般用于旧路条件受限情况。

2.3.2 有中央分隔带

绕中间带的中心线旋转：对外侧车道绕分隔带边线进行旋转，当与内侧横坡相等时，整个断面再绕中央分隔带中线进行旋转，这时中央分隔带为倾斜状，存在高差。绕中央分隔带边缘旋转：让两侧车行道分别绕分隔带边缘线旋转，该方式中央分隔带无高差。分别绕行车道中线旋转：让两侧车行道分别绕车行道中心线进行旋转，此时两侧车行道超高断面是独立的，内侧中央分隔带边缘线抬升，外侧中央分隔带边缘线降低，该超高形式一般用于单幅大于4 车道的道路。

2.4 超高缓和段

在设计超高时，由正常路拱渐变到全超高需要设置超高缓和段，超高缓和段长度一般按以下公式计算：）

式（3）中：Le为超高缓和段长度（m）；b 为超高旋转轴至路面边缘的宽度（m）；Δi 为超高横坡值与道路坡度的代数差（%）；ε 为超高渐变率。

对于超高过渡段长度的计算，在设计还需要注意以下几点：不同超旋转轴最大超高渐变率略有不同，设计时需满足《城市道路路线设计规范》（CJJ193—2012）中对最大超高渐变率的要求，需避免超高渐变过急，影响行车舒适性。超高缓和段一般设置在缓和曲线全长范围，但对于高等级道路，路线可能采用较长的缓和曲线，此时需考虑最小超高渐变率，为避免路面排水不顺，超高缓和可设置在缓和曲线的某一段内。小于40km/h 时，超高过渡段可设置于直线范围内。

3 结合工程案例对城市道路超高的探讨

城市道路主要具有功能多样性、交通组成复杂、交叉口多的特点，车辆运行速度较低，有非机动车和行人的需求，且城市道路两侧开发度高，对城市景观要求高，因此城市道路超高的设置并不友好。笔者认为从超高设置需要理解计算原理，可直接通过城市道路路线设计规范取值，或是通过理论计算取值。在实际工程设计中，宜具体问题具体分析，设计时灵活应用规范，合理设置超高。

案例：肇庆四会市某条东西向城市主干路，道路长全约2.2km，设计速度50km/h，道路采用双向六车道。其中，JD2 与规划30m 城市次干路相交，交点为两条道路中心线交点，半径=250m。道路标准横断面为：5.5m（人行道）+11.5m（机动车道）+6m（中央绿化带）+11.5m（机动车道）+5.5m（人行道）=40m，车行道采用2%横坡，人行道横坡为1%。

3.1 规范取值

根据《城市道路路线设计规范》（CJJ193—2012），本项目为城市主干路，设计速度50km/h，不设超高半径为400m，JD2 位置圆曲线半径R=250m，小于规范不设超高半径值。

取μ= 0.067 计，根据超高横坡计算公式，算如下：

因此，根据计算结果，当半径R=250m 时，交叉口需设置2%的超高值。

3.2 理论计算取值

本项目设计速度为50km/h，道路采用2%横坡，根据公式推导，计算u 值：

根据横向力系数与乘客舒适度分析，故本项目在正常路拱情况下，通过理论计算，μ ＜0.1，乘客在转弯时不感到有曲线存在，很平稳。

因此，考虑到交叉口设计速度为路段的0.5～0.7倍，实际交叉口处车辆运行速度低于50km/h，故本项目通过理论计算不设置超高更为合理。

4 结语

本着“以人为本、资源节约、环境友好”的设计原则，在城市道路设计过程中，由于路线容易受地形地貌、征地拆迁等因素影响，在路线设计中，采用了小于规范不设超高最小半径，圆曲线宜设置超高。本文在对超高原理的分析基础上，提出在超高设计时可直接按规范取值，或通过理论计算取值。在实际工程设计中，宜具体问题具体分析，设计时灵活应用规范，合理设置超高。