城市道路超高設計分析

梁曉飛

[林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司廣州公司，廣東廣州510800]

0 引言

隨著城鎮化建設的發展，在新建道路中平面線形受沿線用地、拆遷、地形等各種因素影響越來越多，平曲線在線形設計中所占的比例越來越大。如果圓曲線半徑的取值小于規范中規定的不設超高最小圓曲線半徑，就應該在曲線范圍內設計全超高，從正常路段的雙向路拱橫坡斷面，逐步到圓曲線段內低外高的全超高單向橫斷面。超高的合理化設計直接對行車的平穩、安全、舒適造成影響。

1 超高必要性

當汽車在平曲線上時將出現離心力，離心力的方向與圓心水平背離。路面超高所產生的橫向力和路面與輪胎之間的摩擦力可以消除在道路曲線上行駛時汽車所承擔的離心力，從而確保汽車橫向穩定，保證汽車行駛能夠安全順利。當道路圓曲線半徑較小、行駛速度較大時，汽車在正常橫坡度下產生的橫向力與摩擦力小于離心力，會使汽車向外側滑移或傾覆。

通過對汽車行駛受力分析，離心力F 大小如下：

依據規范，可以由圓曲線半徑的通用計算方程式推算出超高橫坡度的計算方程式，如下所示：

式（2）中：R表示曲線半徑(m)；V表示速度（km/h）；μ表示橫向力系數，為路面和輪胎間產生的橫向摩阻系數；i表示路面橫坡度（超高橫坡度），一般采用小數表示，當為反超高時采用負值。

根據上述公式可以得出，設計速度、曲線半徑均為設計已有因素，所以要得到超高值，就要明確橫向力系數μ的具體取值。

2 超高的關鍵問題

2.1 橫向力系數

橫向力系數的取值不僅影響著汽車的平穩程度，而且影響著乘客的舒適感、燃料和輪胎的損耗以及其他方面，所以在對μ值的選取時不僅要確保汽車在圓曲線上行駛時的橫向穩定性，還需要充分考慮乘客的舒適、經濟的要求，還需要考慮燃料和輪胎的消耗程度。

通過對相關試驗進行分析，在彎道上行駛與在直線上行駛相比，當μ的取值為0.10 時，汽車的燃料損耗提高10%，汽車的輪胎磨耗提高1.2 倍；當μ的取值為0.15 時，汽車的燃料損耗提高20%，汽車的輪胎磨耗提高2.9 倍。所以可以得出，在對最小圓曲線半徑進行計算時，μ的取值最好小于0.15。

根據橫向力系數與乘客舒適度的相關研究得出以下結論：當μ＜0.1，乘客轉彎時不感到有曲線存在，很平穩；當μ=0.15，乘客轉彎時略感到有曲線存在，但尚平穩；當μ=0.2，乘客轉彎時已感到有曲線存在，并略感到不穩定，當μ=0.35，乘客轉彎時明顯感到有曲線存在，并明顯感到不穩定；當μ≥0.4，轉彎時感到非常不穩定，有傾倒危險感。

現行的《公路工程技術標準》（JTG B01—2014）中，不設超高情況下路拱橫坡度i=1.5% 時，μ值按0.035 取，路拱橫坡度i=2.0%時，μ值按0.040 取；設超高情況下橫向力系數μ=（0.1～0.17），設計速度越高，值越小，超高值i=2%～10%。

根據《城市道路工程設計規范》（CJJ37—2012），城市道路不設超高最小半徑是根據μ=0.0617、i=2%，計算而得。設超高最小半徑一般值按μ=0.0617 計算得到，設超高最小半徑極限值μ=（0.14～0.16），設計速度越高，值越小，超高值i=2%～6%。

與公路規范對比分析，城市道路橫向力系數取值比公路規范取值稍大，最大超高值較公路小，但乘客舒適感程度差不多。有以下幾點原因：城市道路兩側開發程度高，設置超高兩側建筑難以協調，影響城市街景；城市道路人行及機動車多，路口較近，車速一般較低；城市道路以小汽車為主，貨車較少。

2.2 最大超高值

對于快速路，由于設計速度較大，汽車行駛時產生的離心力將也比較大，超高橫坡度的取值可以比一般規定值高一些。

對于城市道路，由于受交叉口、非機動車、兩側建筑的影響，超高橫坡度的取值不適合太大。

在充分考慮各方面的影響后，規范中最大的超高橫坡度如下所示：當設計速度為100km/h、80km/h時，最大的超高橫坡度為6%；當設計速度為60km/h、50km/h 時，最大的超高橫坡度為4%；當設計速度小于或等于40km/h 時，最大的超高橫坡度為2%。

2.3 超高形式

超高的過渡方式一般劃分為無中央分隔帶、有中央分隔帶，對于分離式路基的超高過渡方式，參考無中間帶的超高形式進行設計。

2.3.1 無中央分隔帶

（1）當超高與路拱橫坡相等時，僅需要考慮將外側行車道繞中線逐步抬高旋轉，直至與內側橫坡相等。

（2）當超高較路拱坡度更大時，應當根據情況選用如下過渡方式：

繞內側車道邊緣旋轉：對外側車道繞路中線進行旋轉，當與內側橫坡相等時，整個斷面再同時繞內側到邊緣線進行旋轉。這種方法利于路面縱向排水，多用于新建道路。繞路中線旋轉：先讓外側車道繞車行道中線旋轉，當旋轉至同一橫坡時，再讓整幅道路繞中線旋轉，一般在舊路改造中使用較多。繞外側車道邊緣旋轉：外車道先繞邊線旋轉至與內車道同一橫坡，內車道橫坡不坡，然后再讓內外側車道繞外邊緣旋轉。因為超高形式較為特殊，一般用于舊路條件受限情況。

2.3.2 有中央分隔帶

繞中間帶的中心線旋轉：對外側車道繞分隔帶邊線進行旋轉，當與內側橫坡相等時，整個斷面再繞中央分隔帶中線進行旋轉，這時中央分隔帶為傾斜狀，存在高差。繞中央分隔帶邊緣旋轉：讓兩側車行道分別繞分隔帶邊緣線旋轉，該方式中央分隔帶無高差。分別繞行車道中線旋轉：讓兩側車行道分別繞車行道中心線進行旋轉，此時兩側車行道超高斷面是獨立的，內側中央分隔帶邊緣線抬升，外側中央分隔帶邊緣線降低，該超高形式一般用于單幅大于4 車道的道路。

2.4 超高緩和段

在設計超高時，由正常路拱漸變到全超高需要設置超高緩和段，超高緩和段長度一般按以下公式計算：）

式（3）中：Le為超高緩和段長度（m）；b 為超高旋轉軸至路面邊緣的寬度（m）；Δi 為超高橫坡值與道路坡度的代數差（%）；ε 為超高漸變率。

對于超高過渡段長度的計算，在設計還需要注意以下幾點：不同超旋轉軸最大超高漸變率略有不同，設計時需滿足《城市道路路線設計規范》（CJJ193—2012）中對最大超高漸變率的要求，需避免超高漸變過急，影響行車舒適性。超高緩和段一般設置在緩和曲線全長范圍，但對于高等級道路，路線可能采用較長的緩和曲線，此時需考慮最小超高漸變率，為避免路面排水不順，超高緩和可設置在緩和曲線的某一段內。小于40km/h 時，超高過渡段可設置于直線范圍內。

3 結合工程案例對城市道路超高的探討

城市道路主要具有功能多樣性、交通組成復雜、交叉口多的特點，車輛運行速度較低，有非機動車和行人的需求，且城市道路兩側開發度高，對城市景觀要求高，因此城市道路超高的設置并不友好。筆者認為從超高設置需要理解計算原理，可直接通過城市道路路線設計規范取值，或是通過理論計算取值。在實際工程設計中，宜具體問題具體分析，設計時靈活應用規范，合理設置超高。

案例：肇慶四會市某條東西向城市主干路，道路長全約2.2km，設計速度50km/h，道路采用雙向六車道。其中，JD2 與規劃30m 城市次干路相交，交點為兩條道路中心線交點，半徑=250m。道路標準橫斷面為：5.5m（人行道）+11.5m（機動車道）+6m（中央綠化帶）+11.5m（機動車道）+5.5m（人行道）=40m，車行道采用2%橫坡，人行道橫坡為1%。

3.1 規范取值

根據《城市道路路線設計規范》（CJJ193—2012），本項目為城市主干路，設計速度50km/h，不設超高半徑為400m，JD2 位置圓曲線半徑R=250m，小于規范不設超高半徑值。

取μ= 0.067 計，根據超高橫坡計算公式，算如下：

因此，根據計算結果，當半徑R=250m 時，交叉口需設置2%的超高值。

3.2 理論計算取值

本項目設計速度為50km/h，道路采用2%橫坡，根據公式推導，計算u 值：

根據橫向力系數與乘客舒適度分析，故本項目在正常路拱情況下，通過理論計算，μ ＜0.1，乘客在轉彎時不感到有曲線存在，很平穩。

因此，考慮到交叉口設計速度為路段的0.5～0.7倍，實際交叉口處車輛運行速度低于50km/h，故本項目通過理論計算不設置超高更為合理。

4 結語

本著“以人為本、資源節約、環境友好”的設計原則，在城市道路設計過程中，由于路線容易受地形地貌、征地拆遷等因素影響，在路線設計中，采用了小于規范不設超高最小半徑，圓曲線宜設置超高。本文在對超高原理的分析基礎上，提出在超高設計時可直接按規范取值，或通過理論計算取值。在實際工程設計中，宜具體問題具體分析，設計時靈活應用規范，合理設置超高。