積雪冰凍地區(qū)城市快速路縱坡坡度分析研究

曲　超,秦玉峰,李　健

(1.大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,遼寧大連116011;2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院,北京市 100088)

積雪冰凍地區(qū)城市快速路縱坡坡度分析研究

曲超1,秦玉峰1,李健2

(1.大連市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,遼寧大連116011;2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院,北京市 100088)

設(shè)計(jì)速度是滿足道路建設(shè)預(yù)期的重要指標(biāo),所有設(shè)計(jì)參數(shù)都應(yīng)與之相適應(yīng),以便取得均衡的設(shè)計(jì),縱坡坡度是道路縱斷面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一。本文根據(jù)車輛行駛理論,結(jié)合通行的主要車型和冰雪條件下大連市城市快速路特征路況,建立車輛最大爬坡能力模型,計(jì)算不同檔位條件下的小客車和大客車代表車型的最大爬坡度。這可以為類似區(qū)域市政道路縱坡設(shè)計(jì)提供一定參考依據(jù)。

積雪冰凍;城市快速路;設(shè)計(jì)速度;車輛行駛理論;縱坡坡度

1　概述

近年來(lái),我國(guó)汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展,私家車保有量無(wú)重力式增長(zhǎng),使得無(wú)論一線還是二三線城市的城市交通擁堵嚴(yán)重,各城市城建部門想方設(shè)法新建擴(kuò)建城市道路以解決這一交通頑疾。

一般地,在設(shè)計(jì)城市道路前,工程師首先確定道路等級(jí),然后盡力采用實(shí)際上又高又實(shí)用的設(shè)計(jì)速度,以便在環(huán)境特性、經(jīng)濟(jì)學(xué)、美學(xué)及社會(huì)或政治的影響等約束下,達(dá)到所要求的安全性、機(jī)動(dòng)性、高效性等建設(shè)預(yù)期。設(shè)計(jì)速度一旦確定,道路的所有相應(yīng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)都應(yīng)與之相適應(yīng),以便取得均衡的設(shè)計(jì)。受設(shè)計(jì)速度的影響,某些設(shè)計(jì)參數(shù)如平曲線參數(shù)、縱坡、超高和視距等)與之相關(guān),并隨設(shè)計(jì)速度的不同有較為明顯的變化。

縱坡坡度是道路縱斷面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)之一,合理的坡度對(duì)提高通行能力、減少投資及減少交通事故有較大的影響。但是,受線形銜接配合、用地等因素的制約,特殊情況下縱坡坡度常被迫采用或突破規(guī)范推薦的限制值。

日本規(guī)定爬坡的設(shè)計(jì)車型和平衡速度,按動(dòng)力特征圖來(lái)計(jì)算確定最大縱坡。而我國(guó)道路規(guī)范采用東風(fēng)EQ140作為設(shè)計(jì)車型,研究不同車速時(shí)的爬坡能力,通過(guò)大量的調(diào)查、試驗(yàn),并廣泛征求各方意見,尤其是駕駛員意見,同時(shí)考慮拖掛車及畜力車的通行狀況,結(jié)合交通組成、汽車性能、工程費(fèi)用和運(yùn)營(yíng)情況,經(jīng)綜合分析確定最大縱坡。2012年修編后的《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ37-2012)第6.3.1條關(guān)于機(jī)動(dòng)車道最大縱坡的推薦值與限制值如表1 所示「1]。新版《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ37-2012)與91年版規(guī)范在此處的設(shè)計(jì)要求相比變化很小。

表1　機(jī)動(dòng)車道最大縱坡

這里有兩個(gè)問(wèn)題:(1)設(shè)計(jì)車型單一老舊,同時(shí)缺乏對(duì)各地區(qū)不同的交通特征的考量;(2)規(guī)范中未對(duì)積雪或冰凍地區(qū)給予明確定義,同時(shí)未指明其具體范圍。本文以大連市某快速路的設(shè)計(jì)實(shí)施為背景,針對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行了研究。

2　工程條件分析

該工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為城市快速路,設(shè)計(jì)速度為80 km/h。工程南起大連灣海底隧道,依規(guī)劃路由南向北延伸,分別上跨梭魚灣20號(hào)路、碼頭鐵路線、東方路、甘北路、中華路、龍華路、振興路后最終與201國(guó)道相接。如圖1所示。

圖1　工程平面路線圖

道路平面設(shè)計(jì)指標(biāo)較高,線形相對(duì)順直。但受到海底隧道接線標(biāo)高的制約,若要連續(xù)上跨梭魚灣20號(hào)路、碼頭鐵路線、東方路和甘北路,則本段道路縱坡最少為4%,這無(wú)法滿足《城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范》(CJJ37-2012)的要求,如圖2所示。

圖2　工程縱斷面圖

3　交通組成特征分析

據(jù)大連市統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì),截止2014年底,全市共有民用車輛141.7萬(wàn)輛,增長(zhǎng)率為9.2%。其中,全市私家車共120.1萬(wàn)輛,占民用車總數(shù)84.8%。而從2014年汽車銷售單價(jià)分布情況看,20萬(wàn)以下汽車銷量占全市總銷售量的83%;20～30萬(wàn)元汽車銷量占8.6%;30萬(wàn)元以上汽車銷量占8.4%。

大連市作為我國(guó)重要港口城市和旅游城市,客、貨運(yùn)量大且相對(duì)集中。其貨運(yùn)由西北路、西南路、華東路和華北路承擔(dān);而由于東北路和東聯(lián)路的主要結(jié)構(gòu)形式為高架橋,故主要承擔(dān)的客運(yùn)交通。該工程橋梁占比較大,且南端通過(guò)海底隧道與東港商務(wù)區(qū)相接,主要承擔(dān)客運(yùn)交通。因此借鑒上一年度汽車銷售的主力車型及東北路和東聯(lián)路的交通組成,確定交通組成的主要車型為高爾夫?yàn)樾⌒蛙嚧?黃海DD6128C01型客車作為大型客車代表。具體車輛參數(shù)詳見表2。

表2　各代表車型參數(shù)

根據(jù)汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)性能,可以將動(dòng)力因數(shù)轉(zhuǎn)換為速度V的二次函數(shù)「3]:

其中,P、Q、W為汽車的性能參數(shù)。

式中:U——負(fù)荷率,分別取80%和90%;

Mmax——發(fā)動(dòng)機(jī)最大扭矩;

MN——最大功率下的扭矩;

nM——最大扭矩對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速;

nN——最大功率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速;

γ——總變數(shù)比,γ=iO·ik。

由上式可得各車型在不同單位下的動(dòng)力特征參數(shù),計(jì)算結(jié)果見表3和4。

4　積雪冰凍特征分析

我國(guó)緯度范圍從3。51＇N至53。33＇N,處于中、低兩個(gè)緯度范圍。具有高原氣候、溫帶季風(fēng)氣候等5種氣候類型?；春印貛X作為我國(guó)最具代表性的一月0℃等溫線,不僅將我國(guó)地域區(qū)分南北,更是直接表明了我國(guó)冬季降水的特點(diǎn)。但是近年來(lái)積雪冰凍不僅僅是北方的專利,2008年突如其來(lái)的極端冰凍災(zāi)害對(duì)南方十多個(gè)省份交通造成了極大的破壞。此后幾年湖南、湖北、江西等省份也數(shù)次遭遇凍雨天氣。若以規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求,我國(guó)除海南、廣東和廣西等省份外,在設(shè)計(jì)城市道路的過(guò)程中,均需考慮積雪冰凍的問(wèn)題,這種設(shè)計(jì)思想未免有些片面。

氣溫在0℃上下反復(fù)變化,降雨、凍雨、雨夾雪和降雪等天氣都有可能出現(xiàn),加之鹽溶作用及車輪摩擦等外界作用,最終形成的冰雪路面主要有:松雪路面、雪板路面、雪漿路面和結(jié)冰路面等四種形式,如圖3所示。

表3　高爾夫不同檔位下P、Q、W計(jì)算值

表4　黃海DD6128C01型客車不同檔位下P、Q、W計(jì)算值

圖3　冰雪路面各種形式

大連地區(qū)是暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候兼有海洋性的氣候特點(diǎn),是東北三省最溫暖的地區(qū),年平均氣溫為8～11℃。冬季1月最冷,平均氣溫-5℃。冬季降水稀少,降水量為19～29 mm,占年降水量的%,10 mm以上的降雪少見。冬季降雪時(shí),城市快速路及主次干道一般及時(shí)清掃并播撒融雪劑,通常不會(huì)出現(xiàn)附著系數(shù)極小的雪板或結(jié)冰路面。本次進(jìn)行快速路論證研究過(guò)程中,考慮最不利的情況為雪漿路面,路面的附著系數(shù)f為0.015,所克服的最大坡度值為:

式中:由于大連面臨黃海,平均海拔20～60 m,故=1.0。

綜上,根據(jù)交通組成的主要車型,及其發(fā)動(dòng)機(jī)性能,利用機(jī)動(dòng)車的動(dòng)力因數(shù)—速度公式得到的各種車型在不同檔位和車速下,計(jì)算得到動(dòng)力特征參數(shù),最終求得各車型在不同車速和雪漿路面條件下的道路最大坡度值,如表5所示。

表5　冰雪條件下大連市道路雪漿路面最大縱坡計(jì)算值

5　結(jié)論與建議

(1)本文根據(jù)車輛行駛理論,結(jié)合通行的主要車型和冰雪條件下市政道路路況,建立車輛最大爬坡能力模型,計(jì)算不同檔位的小客車和大客車代表車型的最大爬坡度。此可為類似區(qū)域市政道路縱坡設(shè)計(jì)提供一定參考依據(jù)。

(2)根據(jù)特征車輛最大爬坡度計(jì)算結(jié)果,本文工程為城市快速路,設(shè)計(jì)速度應(yīng)調(diào)整為60km/h,最大縱坡為4.0%。

(3)本文研究的特征車輛較為局限,還應(yīng)增加對(duì)消防車、救護(hù)車和工程車等特種車輛的研究。

(4)城市快速路還可通過(guò)設(shè)置抗滑路面或?qū)щ姙r青混凝土路面等手段減輕積雪冰凍條件對(duì)行車的影響;設(shè)置爬坡車道,分離小客車和大型車輛,提高各型車輛行駛自由度和安全性;促進(jìn)并完善GIS在城市快速路上的應(yīng)用,將城市道路打造成“互聯(lián)網(wǎng)+”式的大數(shù)據(jù)平臺(tái),增強(qiáng)車輛通行能力。

「1] CJJ 37-2012，城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范「S].

「2] 張雨化.道路勘測(cè)設(shè)計(jì)「M].北京:人民交通出版社，2002.

「3] 葉瑞敏.冰雪條件下城市道路縱坡設(shè)計(jì)指標(biāo)研究「D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),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,山東萊州人,工程師,從事市政道路橋梁隧道設(shè)計(jì)工作。