港區道路平面線形設計要點研究

白子建，龔鳳剛，王玉秀

（天津市市政工程設計研究院，天津市 300051）

0 引言

線形是港區道路的骨架，它是決定港區車輛的行車安全、舒適、經濟及港區道路的通行能力的重要因素。線形設計是港區道路設計的關鍵，線形設計的好壞是港區道路總體設計及其設計質量高低的重要評價標準。

港口的地理位置比較特殊，一般是多條道路的起點或終點，同時又是大宗貨物和客流的集散中心，并且港區交通需求中大型車輛占較大比例，其動特性與小汽車有很大差別，所以與之關聯的港區內外道路的交通特性有別于一般公路和城市道路。港區道路平面線形設計中，通常采用直線、圓曲線和緩和曲線（通常為回旋線）三種基本線形，實際設計過程中，需要根據港區道路交通特點對各種線形比例進行優化組合，對各種線形參數進行合理選擇。

1 港區道路交通的特殊性

（1）港區車輛構成分析

港內道路交通車輛構成復雜，包括客車、集裝箱卡車、中型貨車、大型貨車、油罐車等。以天津市為例，根據交通調查，港區各主要路段車型構成與城市道路車型構成如表1、表2所示。

從表中可以看出，港口各主要路段加長集裝箱車、大中型貨車等所占比例較大，在50%～90%之間，相對于城市道路大中型車輛比例30%～40%，是港內道路車輛構成主要特征。加長集裝箱車、大中型貨車特點是體型大，車身長，重量大，以JYBC3型集裝箱運輸半掛車為例，其車身長12.24 m，寬2.49 m，高1.48 m，額定載重量34 t，自重6 t，總重量40 t，見圖1。

港區道路線形的設計要考慮到道路車型的影響，通過行駛車輛的受力分析，合理調整曲線半徑、長度等各種線形參數來滿足港區道路車輛對行車安全及舒適性的要求。

表1 天津港各路段車型構成比例 （單位：%）

（2）港區車輛行駛速度分析

港區道路車輛速度構成和城市道路有明顯不同，港區內的車輛運行規律和特性很大程度由港區內作業流程及其運輸需要決定，港區道路中集裝箱卡車、大中型貨車占有較大比例，行駛特性具有顯著特點，對港區道路車輛進行速度分析，可以從交通運行角度衡量港區內的交通現狀。

下面以天津市為例，港區道路選擇新港四號路為典型路段，根據交通調查數據，地點車速頻率分布與城市道路對比（左為港區道路，右為城市道路）如圖2所示。

從圖2中可以得出，新港四號路段車輛平均車速46.2 km/h，市區道路車輛平均車速為40.2 km/h，港區車速高于市區道路平均車速，這就要求在對港區道路線形設計時，應特別考慮車輛速度偏高時對道路線形安全性的要求，合理調整各種線形參數。

表22000～2007年天津市道路車輛構成比例

2 港區車輛彎道行駛受力分析

港區道路上車輛以大中型車為主，港區車輛體型大、速度較快的特點，需要特別考慮車輛行駛的安全性。下面以大中型車為例，通過分析大型車輛在彎道行駛時的受力情況(見圖3),來說明車輛受力及速度對曲線半徑的影響。

圖3中，B點為靠近彎道內側的汽車輪胎著地點；A點為靠近彎道外側的汽車輪胎著地點；G為汽車裝載后的總重量；F為轉彎時受到的離心力；T1，T2為汽車左右輪胎受到地面法向反力；Pf1,Pf2為汽車左右輪胎受到地面橫向摩擦力；α為路面橫坡坡度角；L為汽車輪距；R為平曲線半徑；u為汽車轉彎速度；μ為橫向摩阻系數。

車輛轉彎時，受到的離心力、合力平衡和合力矩平衡：

A力矩平衡，有：B力矩平衡，有：

當汽車重力、離心力的橫向合力大于路面能提供的最大橫向摩擦力時，車輪就會發生橫向移動，汽車不發生橫向滑移的穩定性條件分析如下：

內外輪所受的摩擦力方向向外:

車輛不會向內滑側滑的條件：

內外輪所受的摩擦力方向向內：

車輛不發生向外側滑的條件：

由《公路工程技術標準》（JTG 01-2003）可知，一般混凝土路面f值為0.4～0.6，瀝青路面為0.4～0.8，故ih＜arctan（μ）,即高等級公路上行駛的車輛一般不會向內側滑移，用V（km/h）替代u（m/s），得到車輛不發生側滑的車速條件:

通過港區行駛車輛受力分析，可以得出車輛彎道安全行駛的車速條件，為道路設計車速的設定及道路線形設計提供依據。

3 港區道路平面線形設計要點

港區道路平面線形設計要素包括直線、圓曲線及緩和曲線等。

港區道路具有不同于一般城市道路的地理及氣候條件，港區道路所處的港口氣候潮濕，路面濕滑，風力較大，這都是線形設計不可忽略的考慮因素。在港區道路平面設計時，要根據港區的地形、氣候條件，駕駛員的動視覺特點、心理感受及保證行車安全等因素，合理地布設路段。

3.1 直線設計

（1）最大直線長度設計

長直線主要出現在平原微丘區的線形設計中，采取最大直線長度限制的原因是避免過長的直線所帶來的駕駛枯燥感、視野單調感和不安全因素。我國的現行規范對此未作明確的規定，但設計中通常參照德國的規范，最大直線長度以20倍設計速度的值控制，由于港區道路有車輛體型大、速度快的特點，港區道路線形設計時，應根據港區實際地形，適當延長直線的距離，提高車輛行駛的安全性。

（2）平曲線間最小直線長度設計

兩平曲線間的直線長度不宜過短。《公路路線設計規范》（JTG D20-2006）規定“對于設計速度大于或等于60 km/h的公路,同向曲線之間最小直線長度(以米計)以不小于設計速度(km/h)的6倍為宜；反向曲線之間最小直線長度(以米計)以不小于設計速度(km/h)的2倍為宜”。港區車輛行駛速度較快，在道路設計時，最小直線長度最好控制在8倍左右,能獲得較滿意的效果。

3.2 圓曲線設計

圓曲線特性分析：

（1）圓曲線半徑。行駛在曲線上的汽車受離心力作用使其穩定性受到影響，離心力大小與曲線半徑密切相關，半徑越小越不利，而半徑過大的話，則跟直線無多大區別。圓曲線半徑的確定受行車速度、橫向力系數以及超高橫坡度的影響，根據汽車行駛在曲線上力的平衡式得到：

各參數的定義如下：

R是圓曲線半徑；V為行車速度，km/h；μ為橫向力系數，極限值為路面跟輪胎之間的橫向摩阻系數；ih為超高橫坡度。

根據港區道路交通特點，較高的車速需要相應較大的ih來保持行車的穩定性，而較高的ih又會對行車安全造成威脅，根據行駛車輛的受力平衡分析，港區最大超高橫坡度一般可以設為5%～7%，積雪冰凍地區極限值為5%，橫向力系數μ取0.05～0.08能較好地滿足行車安全性跟舒適性條件。

（2）圓曲線最小長度。車輛在道路上行駛時，過短的曲線長度會通過造成駕駛員的頻繁操作而帶來行車安全隱患，一般認為，車輛在圓曲線上行駛的時間不應短于3 s。即圓曲線最小長度（m）：

其中V為設計速度（km/h）。

結合港區車輛體型、速度特點，以及通過對港區車輛的受力安全性分析，可以將圓曲線的最小長度（m）修正為:

其中V為設計速度（km/h）,即通過延長圓曲線長度來提高車輛行駛的安全性。

3.3 緩和曲線設計

緩和曲線是設置在直線與圓曲線之間或者半徑相差較大的兩個轉向相同的圓曲線之間的一種曲率連續變化的曲線，由于汽車行駛軌跡非常接近回旋線,加上回旋線線形美觀、順滑、柔和 ,能誘導視覺,符合駕駛者的視覺和心理要求 ,因此緩和曲線多采用回旋線即曲率半徑跟曲線長度成反比的曲線，用公式描述即：

R為回旋線上某點的曲率半徑，m；L為回旋線某點到原點的曲線長度，m；A為回旋線參數，m。

（1）回旋參數A的確定

在確定回旋線參數時，應在范圍R/3≤A≤R內選定，具體取值范圍可以參考《公路路線設計規范》（JTG D20-2006）。港區車輛體型、載重大以及速度高，應該適當減小A的取值，以避免速度方向的快速變化對行車帶來的安全隱患，在港區道路平面線形設計中，A經修正后在范圍R/3≤A≤2R/3內選定可以較好地滿足行車安全條件。

（2）緩和曲線最小長度

港區道路緩和曲線的最小長度確定可以參考《公路工程技術標準》（JTG B01-2003）。

在實際中考慮到駕駛員駕駛舒適性、安全性、駕駛時間不宜過短以及超高漸變率適中來具體確定緩和曲線大的最小長度，港區道路緩和曲線最小長度一般可取80～100 m。

4 結語

道路平面線形的設計會受到社會經濟、自然地理和技術條件等多重因素的制約。需要設計者在進行充分調查、掌握大量可靠資料的基礎上，利用現行的技術標準和設計規范，結合當地的地形、地質和地物等條件，設計出一條經濟、合理而又與自然景觀相協調的路線。

本文在分析港區道路交通特性的基礎上，結合車輛行駛時的受力分析，對港區道路平面線形設計過程所采用的線形進行了分析，并對各種關鍵線形控制參數進行了分析和修正，最終設計出一條適合港區特點的道路線形。