關于城市道路設計中超高和加寬值的探討分析

王成玉

（安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽合肥 230088）

0 引言

城市道路規范中提供了最大超高橫坡度與設計速度對應關系的通用表，但目前由于道路類計算機軟件的發展，部分道路設計人員在計算超高加寬時過份依賴軟件中的設定值，對道路超高和加寬存在認識不全面，也存在對原理本質認識不清的現象。本文根據規范中的相關條文，對道路超高、加寬的計算原理進行專門探討。

1 超高

1.1 設定超高的目的

在彎道上，當汽車在雙向橫坡的車道外側行駛時，車重的水平分力將增大橫向側滑力，所以當采用的圓曲線半徑小于不設超高的最小半徑時，為抵消車輛在曲線路段上行駛時所產生的離心力，須將曲線的外側路面橫坡做成與內側路面同坡度的單坡橫斷面。

1.2 超高計算公式

依據規范中圓曲線半徑計算公式，可得出超高計算公式：

式中：V為設計速度，km/h；R為圓曲線半徑，m；μ為橫向力系數，取輪胎和路面；i為路面橫坡或超高橫坡，以小數表示。

由式（1）可知，在設計速度、圓曲線半徑確定后，超高值的確定與橫向力系數μ有關，也就是說，同一設計速度、圓曲線半徑可以有不同的超高值。

1.3 超高值的確定

在道路曲線部分，汽車行駛時所承受的離心力被路面超高使汽車產生的橫向力及路面與輪胎之間的摩擦力抵消，因而能保持橫向穩定，順利行駛。超高計算及超高率的計算應考慮把橫向摩擦力減至最低程度。對于確定的設計速度，最大超高值的確定主要取決于曲線半徑、路面粗糙率以及當地氣候條件。在潮濕多雨以及季節性冰凍地區，過大的超高易引起車輛向內側滑移，尤其是當擁堵造成彎道車速低甚至停止的情況下，更應對道路的超高橫坡度加以限制。

1.3.1 橫向力系數的取值

橫向力系數μ的大小影響著汽車的穩定程度、乘客的舒適度、燃料和輪胎的消耗以及其他方面，所以μ值的選用不僅需考慮車輛在彎道行駛時對行車的力學穩定性，還應考慮乘客的舒適度，以及對汽車燃料和輪胎消耗情況的影響，詳見表1、表2[1]。

表1 汽車在彎道上行駛時對乘客的舒適感影響

表2 μ值對燃料和輪胎消耗情況的影響

我國《公路工程技術標準》（JTG B01—2003）中的μ值按0.035～0.040取用，取值較小，計算得出，公路不設超高圓曲線半徑，最小半徑值較大。以設計速度60 km/h為例，不設超高圓曲線最小半徑為1 500 m。

依據《城市道路工程設計規范》（CJJ 37—2012），我國城市道路不設超高的經驗數據為μ=0.067[1]，比公路規范中的經驗數據最大值μ=0.040大些，但對乘客舒適感程度差別不大。為減少超高，該取值在城市道路中是合適的。城市道路μ值的選擇主要結合我國城市道路的特點考慮。

（1）在城市道路建成區，由于兩側建筑已經形成，如設超高，與兩側建筑物標高不好配合，且影響街景美觀，因此城市道路可適當降低標準。

（2）我國城市道路大型客、貨車較多，μ值可適當放大。

（3）城市道路受非機動車和行人的干擾，交叉口較多，一般車速偏低，因此μ值可適當放大些。

因此，城市道路不設超高的圓曲線半徑推薦μ值取0.05～0.07是合適的。目前我國城市道路規范中不設超高的圓曲線最小半徑按μ=0.067和i=2%計算得出的。

當然，在有條件的路段，宜優先選用上述幾方面都能較好滿足的μ值。條件困難時，需要設置超高時，μ值可取0.1，但最大不超過0.15為宜。根據表1、表2，μ值選用的彈性較大，根據道路不同情況及乘客的舒適感，μ=0～0.15都可以選用。

1.3.2 城市道路中超高值的取定

選用了橫向力系數μ范圍后，即可計算出超高值。城市道路等級可分為城市快速路、城市主干路、城市次干路及城市支路。設計速度除快速路為60～100 km/h外，其余主、次干路及支路的設計速度分布在20～60 km/h之間。

城市道路設計中，遇到需要設置超高的道路往往集中在一些道路等級較低的次干路及支路中。本文選取支路設計速度為20 km/h為例，取不同μ值計算出的超高值如表3。

表3 20 km/h時的超高值計算

通過計算可知，對同一半徑，并非在所有范圍內的μ值都是可以采用的，要得到合理的超高值還需通過以下幾方面確定。

（1）超高值的選定需符合合成縱坡的要求。

《城市道路工程設計規范》（CJJ 37—2012）要求：在設有超高的平曲線上，超高橫坡度與道路橫坡度的合成坡度應小于或等于表中規定。

將合成坡度限制在某一范圍內的目的是盡可能地避免陡坡與急彎的組合對行車產生的不利影響。根據城市道路規范，城市支路設計速度20 km/h，最大合成縱坡為8%，相對應的超高值就不能超過表4的值。

表4 20 km/h時為陡坡的最大超高值

因此，若城市道路設計速度為20 km/h，最大超高橫坡度為2%，則其最大縱坡值不得超過7.75%；若縱坡大于8%時，則需滿足設置不設超高的最小半徑的要求，否則行車安全有不利影響。

（2）不設超高的最小半徑、最大超高值的要求：城市道路規范規定了不設超高的最小半徑，當圓曲線半徑符合要求，就可不設超高；城市道路根據設計速度均有最大超高值的要求，詳見城市道路設計規范表6.2.5，設計速度為20 km/h的最大超高值一般為2%。

（3）在曲線位于交叉口上時，超高值應考慮交叉口的車速。城市道路信號燈控交叉口的設計速度一般為路段的0.5～0.7倍，因此交叉口設計車速可適當降低。交叉口處是否設置超高或設置多大超高值應考慮交叉口的設計速度。另外，交叉口超高值選用在考慮車速等行車安全性的前提下，還考慮交叉口的美觀性，不宜設置過大的超高。

綜上，當圓曲線半徑小于不設超高最小半徑時，根據道路所處的環境，如地處城區、一般地區、積雪冰凍地區等情況宜選擇合適μ值計算超高。另外，在滿足行車安全性前提下，選用超高值需兼顧美觀，一般來說，城市道路設計規范超高值不宜太大，一方面是為了非機動道在超高路段的行駛安全，另外過大的超高值會使道路兩側高差較大。特別是城市道路往往較寬，會使道路標高與周圍建筑物不協調。因此，最新的城市道路設計規范規定：設計速度在80 km/h以上時，最大超高為6%；在80 km/h以下時，最大超高為2%～4%。

1.4 超高的設置

在確定了超高值后，就可以根據道路的橫斷面形式，結合地形條件等因素決定，并應利于路面排水，對道路進行超高設置。

1.4.1 超高橫坡過渡情況

根據城市道路橫斷面形式，超高旋轉軸可分3種：單幅路及三幅路斷面繞道路內邊緣、繞中心線旋轉；雙幅路及四幅路則較多采用繞中央分隔帶邊緣旋轉，中央分隔帶保持水平，使兩側車行道成為獨立的超高橫斷面。見圖1～圖3。

圖1 繞內邊緣線旋轉

圖2 繞中心線旋轉

圖3 繞中央分隔帶邊緣旋轉

1.4.2 超高過渡段長度計算

由直線段的雙向路拱橫斷面過渡到圓曲線段的全超高單向橫斷面，其間必須設置超高過渡段。繞內緣旋轉時，應先將外側車道繞中線旋轉，當達到與內側車道構成單成橫坡后，整個斷面再繞未加寬前的內側車道邊緣旋轉，直到超高橫坡值。這種過渡方式，實質上包括了繞中心線旋轉及有中央分隔帶時繞中央分隔帶邊緣旋轉兩種方式。以下對該方式進行計算探討。

外側車道過渡至與內側車道相同橫坡的長度L1，即外側車道繞道路中心線旋轉，直至旋轉至與內側車道構成單向橫坡。

式中:B為行車道寬度，m；i0為道路橫坡度，%；P1為繞中心線的漸變率。

由于此階段處于繞中心旋轉，選用的漸變率為《城市道路路線規范》（CJJ 193—2012）[1]中表6.4.3中繞中線時的漸變率。

整個斷面繞未加寬前的內側車道邊緣旋轉，直到超高橫坡值所需的長度L2：

式中：B、i0同式（2）；I超為道路超高，%；P2為繞邊線旋轉漸變率。

由于此階段處于繞內邊緣旋轉，選用的漸變率為城市道路路線規范中表6.4.3中繞邊線旋轉時的漸變率。

超高過渡段長度的計算還需注意以下幾點。

（1）超高緩和段應在緩和曲線全長范圍內進行。對于部分城市快速路或主干路，為了線形美觀、便利使得回旋線較長時，若在回旋線全長范圍內過渡，會使超高漸變率過小而不利于排水，故需調整超高緩和段縱向漸變率（不應小于1/330），應重新計算超高過渡段長度，這時的超高緩和段可設置在緩和曲線的某一段區域內進行。

（2）對于設計速度小于40 km/h時，超高緩和段可在直線段內進行；

（3）超高緩和段長度與緩和曲線長度兩者中應取大值作為緩和曲線的計算長度。

最終的超高緩和段長度為LC為：

在確定了超高過渡方式及超高過渡段長度后，就可以用內插法計算超高過渡段中各點的橫坡值。圖4為超高過渡段計算示意圖。

圖4 超高過渡段計算示意圖

2 加寬

2.1 加寬的意義

汽車行駛在曲線上，各輪跡半徑不同，其中后內輪半徑最小，且偏向曲線內側，故曲線內側應增加路面寬度，以確保曲線上行車的順適與安全。規范要求：當圓曲線半徑小于或等于250 m時，應在圓曲線范圍內設置加寬。每條車道的加寬值，城市道路路線規范中根據車型的種類，也做了具體的規定。

2.2 加寬計算公式

普通汽車考慮車速的影響，在曲線上根據汽車行駛時的相對位置關系所需的加寬值和不同車速情況下的汽車擺動偏移所需的加寬值，可計算單車道路面的內側加寬值為[3]：

式中：e內為車道內側加寬值，m；L0為汽車后軸至前保險杠的距離，m；R為設加寬的圓曲線半徑，m；V為計算行車速度，km/h。

2.3 城市道路加寬計算探討

為適應汽車在平曲線上行駛后輪軌跡偏向曲線內側的需要，通常公路的加寬設在彎道的內側[4]。但是，城市道路彎道上，常因為節省用地或拆遷房屋的困難而設置小半徑彎道，此時考慮到對稱于設計中心線設置加寬較為有利而采用彎道內外兩側同時加寬，其每側加寬值為全加寬的一半[4]。

但是，當圓曲線半徑較小時，內外側車道的加寬值相差較大，應對內外側車道分別加寬。當加寬值較大時，可通過計算確定加寬值。當車道寬度為3.5 m時，雙車道路面的內外側車道的加寬值計算公式可由公式（5）推出：

城市道路往往車道數較多，對于多個車道中每一車道的加寬值，可通過變換半徑求得。假設為雙向4車道的三幅路城市道路，車道寬度為3.5 m時，則從內到外側的各車道加寬值可通過以下計算：

以上公式針對的設計車型為普通小客車和大型車，但在一些有較多超長、超寬車輛行駛的道路，宜對曲線加寬值進行特殊設計，以保證彎道行車安全。其加寬值計算方法與以上加寬值計算類似。

2.4 加寬過度方法

確定了加寬值后，即可根據以上確定加寬過渡段長度，對彎道進行加寬。對一般的城市道路而言，加寬過渡段的設置，可在相應的回旋線或超高加寬緩和段范圍內按長度比例增加的方法，即加寬過渡段上任一點的加寬值。

式中:L為回旋線或超高加寬過渡段長度，m；Lx為計算點到過渡段起點的距離，m;E為圓曲線加寬值，m。

3 結論

（1）因超高值計算彈性較大，在選用超高值時除了考慮行車安全性外，還需與道路的具體情況相結合。

（2）城市道路加寬值一般可參照規范中6.5.1節執行，但當道路中的車輛與規范有較大差別時，應進行驗算。

（3）超高、加寬的設置不是孤立的，設計中需與規劃軸線、縱坡、橫斷面布置等同時考慮。

（4）設計人員在用道路設計軟件時，應檢驗軟件的超高加寬值、過渡段長度是否與設計道路的具體情況相符。

[1]CJJ 193—2012,城市道路路線設計規范[S].

[2]CJJ 37—2012,城市道路工程設計規范[S].

[3]JTG D20—2006,公路路線設計規范[S].

[4]黃興安．公路與城市道路設計［M］．北京：中國建筑工業出版社，2005.