甘 露， 鄭元勛

(1.鄭州大學 水利與環境學院 河南 鄭州 450001； 2. 東南大學 土木工程學院 江蘇 南京 210000)

DOI: 10.13705/j.issn.1671-6841.2016349

斜拉式半立交十字路口概念設計研究

甘 露1,2， 鄭元勛1

(1.鄭州大學 水利與環境學院 河南 鄭州 450001； 2. 東南大學 土木工程學院 江蘇 南京 210000)

通過對現有的兩相位信號控制十字交叉路口的交通流線分析，基于消除左轉的思想提出斜拉半立交的概念設計：將左轉車流全部環形立交；環形立交在交叉口不設置墩柱，在交叉口設置斜拉索塔；左轉車道縱坡3%，從交叉口200 m處提升至立交橋高度.在進行基礎設計后采用PTV-VISSIM微觀仿真軟件進行仿真分析，輸出行程時間與延誤時間并與不設置半立交的兩相位控制十字交叉路口進行對比分析.結果表明：建立斜拉式半立交后，在兩相位信號控制的十字交叉口中直行與左轉車流的行程時間與延誤時間明顯降低，提高了交叉口通行能力.

消除左轉； 斜拉； 半立交； 行程時間； 延誤時間

DOI: 10.13705/j.issn.1671-6841.2016349

0 引言

近年來，由于城市汽車保有量劇增，大中城市內部在高峰期出現擁堵的現象日益嚴重.城市道路中交叉口又是城市道路的交通瓶頸，交叉口事故的發生占城市事故發生的一半，由于交叉口擁堵造成的延誤約為總延誤的1/3[1-2].基于交叉口在城市道路交通中的重要性，國內外專家學者對交叉口進行了具體的分析，其中左轉車流對交叉口交通的影響最為明顯，平面交叉中左轉車流比例對交叉口通行能力有著重要的影響，消除交叉口左轉車流能夠一定程度上改善交叉口的交通情況[3-4].但目前針對消除左轉主要采用的是在信號交叉口設置專門的左轉相位[5]或用立體交叉代替平面交叉，但專門設置左轉相位會增加信號周期與紅燈時長，降低了通行效率[6].而全立體交叉會增加城市道路用地面積以及城市道路的造價.

本文基于在平面交叉口消除左轉車流的思想，擬建立將左轉車流進行立交的斜拉式環形半立交.該種立交方式將左轉車流從交叉口分離，減少了交叉口沖突點的數量，并采用斜拉模式，減少了立交橋在交叉口的墩柱，大大降低了對行車視距的影響.本文在對該種交叉口進行概念設計的基礎上，采用微觀仿真軟件PTV-VISSIM分析輸出行程時間與延誤時間，在同等條件下與不設置半立交的路口進行對比分析.

1 十字交叉口交通特性分析

通過對無信號十字交叉口的交通流線分析發現十字交叉口沖突點總數為32個[7].兩相位信號控制是指在一個信號周期內交換兩次通行權(如圖1).根據我國交通規則，兩相位信號控制時，同一方向直行車流與左轉車流在同一相位行駛，右轉車流不設置信號燈，綠燈時，左轉車流可以在不影響直行車流的情況下進行穿插行駛[8].

在兩相位信號控制時，兩交叉道路的車流通過信號燈隔開，其路口交叉點(不計入分流合流)情況如圖2，此時交叉口相交點只有兩個，相比無信號控制的交叉口相交點大大減少.

在兩相位控制的基礎上，如果消除左轉車流的影響，在十字交叉口理論上將不存在相交點，交通情況將得到很大的改善.

圖1 兩相位信號控制圖Fig.1 Two-phase signal control chart

圖2 一個相位情況下相交點流線Fig.2 A phase of the intersection point of the flow line

2 斜拉式半立交初步設計

2.1斜拉式半立交的提出

斜拉式半立交即將左轉車流進行環形立交(相當于將環形交叉口環島上移至一定高程)，同時左轉環形立交采用中間設立斜拉索塔斜拉環形立交.

圖3 斜拉式半立交立體圖Fig.3 Trapezoidal semi-collapsing three-dimensional illustration

通過對兩相位信號控制十字交叉口的分析發現消除左轉將會使得交叉口的交通環境得到很大改善，因此本文基于消除左轉的思想提出斜拉式半立交(如圖3).

圖中交叉口中間建立斜拉索塔斜拉左轉環形車道，左轉車輛通過左轉車道上升至環形立交并與在環形交叉口中行駛方向相同，繞環形立交逆時針行駛至出口.

2.2斜拉式半立交設計

2.2.1左轉車道設計 根據城市道路設計規范[9]規定，道路縱坡不宜小于0.5%，道路最大縱坡限制見表1.在本文擬建立的斜拉式半立交中，左轉車道逐漸上升至環形立交的高度6 m,其縱坡度采用3%，左轉車道橋墩采用雙支座獨柱墩，增加橋下凈空.

2.2.2左轉環形立交設計 本文擬建立的環形立交相當于環形交叉口的繞島行駛，其內半徑即可視為環形交叉口環島半徑，根據城市道路設計規范規定，環形交叉口最小環島半徑限制如表2. 本文擬建立的左轉環形立交采用內半徑37.5 m,外半徑45 m，車道寬度為7.5 m.

表1 最大縱坡度

表2 環形交叉口中心島最小半徑

2.3斜拉式半立交的優勢

本文擬建立的斜拉式半立交具有的優勢有：1) 將左轉車流從交叉口中分離，減少了交叉口沖突點：減小了車輛發生大角度碰撞的可能；減少了車輛排隊，增加通行能力，減少車輛延誤；2) 左轉環形立交采用斜拉式，減少了橋墩的數量，對行車視距影響較小，保證行車安全.3) 左轉進行環形立交增加了直行車輛的實際綠燈時長，較普通平交路口相比增大了交叉口的通行效率.

3 PTV-VISSIM仿真分析

3.1PTV-VISSIM仿真流程及基礎數據

3.1.1VISSIM仿真流程 PTV-VISSIM微觀仿真所需要的基本數據包括：車道布置及寬度、交通構成、交通量及交通量分配以及信號燈配時情況，其仿真過程分為4個步驟[10]：

1) 根據設計情況布置路網背景平面圖，布置車道及路段連接；

2) 設定交通構成情況及每個路口交通組成與分配；

3) 設定交叉口信號燈形式及配時；

4) 設定輸出結果類型并運行仿真.

3.1.2VISSIM仿真基礎數據 本文擬建立的仿真分析中基礎數據為：車道為雙向6車道，單車道寬度為3.75 m；交通構成考慮城市交通情況采用：小汽車0.88，客車0.1，貨車0.02；仿真建模采用兩主路相交，交通量均采用左轉500輛/h、直行400輛/h、右轉400輛/h；信號燈采用兩相位信號控制，信號周期120 s，綠燈時間45 s，黃燈3 s，相交道路綠燈間隔10 s.

3.2仿真分析

圖4 仿真分析路網背景平面圖Fig.4 Simulation of road network background plan

本研究在基于基本數據及道路平面圖(如圖4，半徑R為45 m)建立兩次仿真分析，分為普通兩相位信號控制十字交叉口仿真分析與斜拉式半立交兩相位信號控制十字交叉口仿真分析，輸出仿真評價文件為4個方向直行道路、4個左轉道路行程時間及平均延誤時間評價值.在仿真結果中，輸出開始時間為120 s(前期車輛未進入交叉口)，記錄時間間隔30 s.

3.2.1仿真假設 假設車輛進入路網后各行其道，不進行車道變換；不考慮行人及非機動車的影響；車輛在交叉路口不允許進行掉頭，掉頭需行駛出交叉口路網.

3.2.2兩相位信號控制十字交叉口仿真分析 在本研究中，十字交叉路口采用兩相位信號控制，在一個信號周期內交換兩次通行權，第一相位為東西道路直行與左轉，第二相位為南北道路直行與左轉，所有右轉車流不設置信號燈，根據所有基礎設計建立仿真路網如圖5，仿真運行如圖6.

圖5 仿真路網Fig.5 Simulation road network

在運行仿真后，輸出文件包含4個直行道路行程時間(如表3)、4個左轉行程時間(如表4)及平均延誤時間(如表5).

3.2.3兩相位信號控制斜拉式半立交交叉口仿真分析 在建立斜拉式半立交后，左轉車道縱坡度為3%，到達交叉口時左轉車道高度為6 m，左轉車流沿環形立交逆時針行駛至出口.另外，左轉車流從交叉口分離出去，此時，交叉口左轉車流不再由信號燈控制，兩相位信號燈的第一相位為東西直行，第二相位為南北直行.其他的控制條件與兩相位信號控制十字交叉口相同.根據基礎數據設計仿真路網如圖8，仿真運行如圖9.

表3 直行車流行程時間

表4 左轉車流行程時間

表5 延誤時間

在運行仿真后，輸出文件包含4個直行道路行程時間(如表6)、4個左轉行程時間(如表7)及平均延誤時間(如表8).

圖7 仿真路網Fig.7 Simulation road network

圖8 仿真運行Fig.8 Simulation run

仿真時間/s南北直行北南直行東西直行西東直行行程時間/s車輛數/輛行程時間/s車輛數/輛行程時間/s車輛數/輛行程時間/s車輛數/輛12020.6234.7900001800030335.2961.8824020.74371232.4721.913000020.81000036039.1828.3326.4341.1842020.510090.210048022.2530.91127134.3854060.57101.520022.1260022.2443.11432.4831.911全部34.93138.25534.52939.938

4 仿真結果對比

仿真結果的對比是將兩相位信號控制的十字交叉路口的仿真結果與斜拉式半立交兩相位信號控制的十字交叉路口仿真結果對比，得出在建立斜拉式半立交后，在行程時間方面與延誤時間方面得到改善的程度.

表7 左轉車流行程時間

表8 延誤時間

4.1直行車流行程時間對比

兩次仿真結果對比如圖9.通過對比分析可以明顯看出：在設立斜拉式半立交后，各直行方向的行程時間均有明顯降低.

4.2左轉車流行程時間對比

兩次仿真結果對比如圖10.雖然斜拉式半立交左轉車流繞行距離變大但是由于左轉分離出交叉口減少了左轉車流與直行車流的沖突,通過對比分析可看出在建立斜拉式半立交后左轉車流行程時間依然得到了巨大改善.

4.3延誤時間對比分析

兩次仿真結果對比如圖11.

圖9 直行車流行程時間對比Fig.9 Travel time contrast of straight traffic

圖10 左轉車流行程時間對比Fig.10 Travel time contrast of turning left traffic

圖11 延誤時間對比Fig.11 Contrast of delay time

通過對比分析可以看出，建立斜拉式半立交后，直行車流與左轉車流的延誤均得到了改善，左轉車流改善程度較直行車流改善程度較高，這是由于左轉車流在斜拉式半立交中不存在與直行車流的沖突點.

5 結論

通過分析，本文建立的半立交有利于增加交叉路口的通行能力及行車安全性，斜拉式的設計有利于減少交叉口橋墩數量，增加行車視距，保證了行車安全性，同時橋梁造價要低于全立交設計.但是，本文建立的半立交相比平面交叉占地面積稍大，造價更高.

總而言之，本文建立的斜拉式半立交是介于平面交叉與立體交叉之間的一種交叉模式，它的建立有助于增加交叉口通行能力，降低事故率且造價低于立體交叉設計.

[1] 王英杰，宋濤.城市交叉口平面立交交通組織機理及應用研究[J].交通科技與經濟，2015，17(4):52-55.

[2] 郭瑋，王東亮，王京京，等. 基于單元概率重要度的黃標車限行策略研究[J]. 鄭州大學學報(理學版)，2014，46(2)：120-124.

[3] 陳小鴻，葉彭姚.交叉口左轉車流比例對路網運行效率的影響[J].同濟大學學報(自然科學版)，2008，36(8):1067-1072.

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(責任編輯：王浩毅)

ConceptualDesignofSemi-stayedOverpassIntersection

GAN Lu1,2, ZHENG Yuanxun1

(1.SchoolofWaterConservancyandEnvironment,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450002,China; 2.SchoolofCivilEngineering,SoutheastUniversity,Nanjing210000,China)

The traffic flow of two-phase signal control intersection was analyzed. Based on eliminating left traffic a conceptual design of cable-stayed interchange was proposed. All left traffic should be eliminated through interchange design. There should be no any pier set at the intersection, but a pylon. Left-turn lane′s longitudinal gradient would be 3%, and the height of interchange would be increased from 200m. After the basic design, the simulation results were analyzed by PTV-VISSIM micro simulation software, and the output travel time and delay time were compared with the output of the two-phase control crossroads without half-crossing. The results showed that after the interchange, the travel time and delay time of the straight and left turn traffic in the crossroads controlled by the two-phase signal were obviously reduced, and the traffic capacity of the intersection was improved.

left elimination; the oblique; half interchange; travel time; delays

2016-11-30

河南省教委自然科學基金項目(16A580001);河南省交通運輸廳科技項目(2014k37-2)；河南省交通運輸廳科技攻關項目(2013-2-12).

甘露(1996—)，男，安徽安慶人，主要從事道路橋梁相關研究，E-mail:marcganchina@163.com；通訊作者：鄭元勛(1978—)，男，河南駐馬店人，副教授，主要從事道路橋梁相關研究.

U412.3

A

1671-6841(2017)04-0119-07