環形交叉口幾何參數優化研究

羅鈿

摘 要：環形交叉口是一種較為常見的交叉口形式。以常規環形交叉口為研究對象，中心島半徑和環道寬度是環形交叉口的兩個重要幾何參數。以交織理論模型Wardrop公式為基礎，考慮交叉口內車輛質量和環道寬度對通行能力的影響，選用合理的幾何參數，實現增大通行能力的目的。

關鍵詞：繞島軌跡半徑；通行能力；交織理論

1 概述

中心島是環形交叉口最基本的要素，是區別環形交叉口和其他交叉口的重要因素。中心島半徑是設計環形交叉口的一個關鍵因素，部分設計者認為中心島半徑越大， 交織段長度越大，則服務水平、安全性越高， 這是一個誤區。中心島的形狀一般采用圓形。根據行車速度的要求， 圓形中心島的半徑R 計算如下[1]：

式中：v為環內的計算行車速度，km/h；b為車道寬度，m；i為環道的坡度；？滋為橫向力系數。

在實際設計方案中， 僅根據環道設計車速直接選??？滋值，從而確定環形交叉口中心島半徑， 可能會產生較大的誤差。根據表1規范設計環形交叉口時， 并沒有考慮交叉口車輛的類型及其運行情況。車輛在交叉口內的行駛始終為繞行的過程， 且不同類型和不同質量的車輛轉彎半徑是不一樣的。因此，應該選用更貼近實際情況的計算方法來確定環形交叉口的中心島半徑，對于合理規劃城市用地具有重要的意義。

2 車輛繞島軌跡半徑

環形交叉口車輛按右行原則繞中心島，環內存在三種運行軌跡，即直行、左轉和右轉。以下公式給出了車輛三種轉向的繞中心島的軌跡半徑通式：

此處，Rn為車輛在交叉口實現各轉向的軌道半徑，m；Vn為實現各轉向的環道內最大安全行駛速度，km/h；fs為側摩擦因數；e為超高，m/m， SIDER Version 2.1取定值為-0.2。

該公式適用條件：

（1）環內最大安全行駛速度Vn

基于安全考慮，環內最大安全行駛速度 。環形交叉口的計算行車速度，通常可取路段計算行車速度的0.5～0.7倍。在工程條件允許的情況下宜取高限，特別是對于環道和出口道，車速的提高利于增加環道的通行能力及滿足車輛快速駛離環道的要求。根據經驗，環道取相交道路中較高的路段計算行車速度的0.5～0.7倍。

（2）車輛的側摩擦因數fs[2]

橫向力系數 是一個表征道路阻抗的物理量， 主要反映的是道路的行駛條件，未反映車輛類型和質量對環形交叉口幾何參數的影響。因此引入了一個無量綱的物理量fs，即側摩擦因數。

式中：MVLV、MVHV分別為在交叉口運行的輕型車和重型車的平均質量， kg；fSLV、fSHV分別為輕型車和重型車的側摩擦因數；PHV為交叉口重型車占所用車輛總數的百分數。

3 算例

某環形交叉為四路交叉， 道路北口為二級公路入城段，設計速度為60km/h， 道路東南西三個路口均為城市道路，設計速度為50km/h。交叉口位于城市邊緣，輕型車和重型車平均質量分別為1400kg和11000kg， 重型車在機動車中所占比例為5%，環道寬度W=10m。

在相同通行能力的條件下，方案二縮減用地面積，降低用地成本，而且減少車輛在環道內的繞行距離，提高環形交叉口的通行能力。比較兩個方案，方案二優于方案一。

4 環道寬度對通行能力的影響

交織理論反映的是交織段長度對通行能力大小的影響。對于常規環形交叉口，若交織段相對較長，駕駛人可充分利用這段環道以交織方式完成車道變換，進入或轉出交叉口。因此，交織上的通行能力決定了環形交叉口的通行能力。最具有代表性的交織理論模型Wardrop公式[3][4]：

選取中心島半徑Rc分別為15、20、25、30、35、40m的環形交叉口，利用交織理論模型，計算各中心島半徑條件下的最大通行能力[5]。假設某道路環形交叉口，重型車比例為5%，E=8m，p=1，結果如圖3。

由交織理論模型Wardrop公式計算數據可知：隨著中心島半徑的增加，交織段最大通行能力增大，即交叉口通行能力增大；當中心島半徑一定的情況下，增加環道的寬度（即增加環道數目），環形交叉口通行能力并非一定增大。在規劃用地一定的情況下，可選取較小的中心島半徑，相對較寬的環道寬度，提高通行能力。

5 結束語

環形交叉口的通行能力并非籠統的歸納為，隨中心島半徑增大，交織段長度增大，服務水平和安全越大，其通行能力也隨之增大。通考慮交叉口車輛質量和環道寬度這兩個因素，可以達到“小中心島，大通行量”的目的，更貼近實際情況確定環形交叉口大小，從而有效節約道路用地。

參考文獻

[1]交通部公路科學研究所.公路通行能力研究報告.2000

[2]AKCELIC & ASSOCIATES（2002）. AaSIDRA User Guide. Akcelic &Associates PtyLtd，Melbourne，Australia.

[3]徐吉謙.交通工程總論.北京：人民交通出版社，2002

[4]陳寬民，嚴寶杰. 道路通行能力分析.北京：人民交通出版社，2003

[5]吳杰，韓寶睿等，運用可變形中心島提高交叉口通行能力的方法，城市交通，2011（6）