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城市互通立交变速车道长度研究

发表时间：2020/8/5 来源：《基层建设》2020年第10期作者：阳敏

[导读] 摘要：论述了我国城市立交变速车道长度设计存在的问题，通过变速车道长度设计方法研究，构建变速车道长度计算模型，并针对城市立交变速车道长度设计提出相应的注意事项，以更好的将城市立交的交通功能发挥出来。

        重庆交通大学土木工程学院重庆 400074
        摘要：论述了我国城市立交变速车道长度设计存在的问题，通过变速车道长度设计方法研究，构建变速车道长度计算模型，并针对城市立交变速车道长度设计提出相应的注意事项，以更好的将城市立交的交通功能发挥出来。
        关键词：变速车道长度；城市立交；计算模型
        引言
        城市立交变速车道是连接立交主线和匝道的附加车道，起到行驶车辆交通转换的速度渐变和平稳过渡的作用。由于其结构复杂、行车速度变化大、交织换道现象集中等问题，导致城市立交变速车道不仅是城市交通拥堵的主要发生地，还是交通事故的多发地。
        变速车道长度设置的合理与否，对于降低交通事故的发生率、保障交通流的畅通性，以及满足行车的舒适性具有重要的意义。若变速车道设置过短，则不能为车辆提供足够的变速空间，这不但影响整个互通立交的通行能力，甚至会引发交通事故；若变速车道设置过长，不仅会增加工程投资和设计规模，而且也不利于车辆的快速分合流。
        1.城市立交变速车道长度设计依据及存在的问题
        我国城市立交变速车道相关设计依据主要有：《城市道路交叉口设计规程》CJJ152-2010（简称《规程》）和《城市道路交叉口规划规范》GB50647-2011（简称《规范》），其长度设计指标如表1所示，括号外为《规范》取值，括号内为《规程》取值。
        表1 变速车道长度（不含宽度缓和段长度）

        《规范》基本采用已公告作废的行业标准《城市道路设计规范》CJJ37-90中的数值，代替90版《规范》的是《城市道路工程设计规范》CJJ37-2012，但其未对变速车道及渐变段长度做出规定。《规程》中加减速车道的取值主要是参考国外高速公路变速车道参数的取值，并取其相对比较保守的值计算而来。
        这两本规范都对变速车道长度设计指标给出了参考值，但不一致，且两本规范都只适用于单车道且纵坡小于或等于2%的加减速车道。若为双车道或纵坡大于2%的变速车道长度需要进行长度和坡度修正。
        2.城市互通立交变速车道长度研究
        2.1 设计方法
        通过查阅文献分析可知，对于互通式立交变速车道长度设计的方法较多，主要有效益成本分析、车流波理论、驾驶工作负荷、仿真模拟法等。
        上述变速车道长度设计方法大多都是基于对变速车道区域的交通特性进行研究的基础上，采用不同的设计理论进行研究而来，但各自都存在某些不足。国内外对互通式立交变速车道长度设计的代表性研究成果是：结合车辆运行特性，基于交通流理论（概率论、微分法）的加速车道长度研究和基于车辆行驶特性的减速车道长度研究。
        2.2 计算模型
        变速车道通常按照功能分类为加速车道和减速车道，也可按照线形分类为直接式变速车道和平行式变速车道。调查表明驾驶员在进出匝道时更希望能以比较高的速度直接驶入（离）主线，由于车辆在减速车道行驶时受主线影响小，且速度较大，因此减速车道常采用直接式；加速车道车辆汇入受主线影响大，需要较长的等待时间以汇入主线，因此，加速车道常采用平行式。
        2.2.1 加速车道长度计算模型
        为保证加速车道设计的合理性、安全性、适用性，常取最不利情况（主线交通负荷较大时）进行分析，建立符合车辆三段式加速行驶状态的加速车道长度计算模型。
        因此，加速车道长度计算模型为：
        式中：L—加速车道长度（m）；L0—渐变段长度（m）；L1—加速段长度（m）；
        L2—等待段长度（m）；v1—汇流鼻初速度（km/h）；v2—汇流点末速度（km/h）；a—车辆平均加速度（m/s2）；T—平均等待时间（s）；t—横移时间（s）。
        2.2.2 减速车道长度计算模型
        国内外对互通立交减速车道进行了深入的研究，目前，国际上公认的减速车道长度计算方法主要有两种，一种是美国AASHTO假定，另一种是日本假定，其都是基于二次减速理论而来，即车辆在减速车道上经历两次减速过程，一是发电机减速，二是制动器减速。两种假定的不同之处在于，美国假定车辆在渐变段处不发生减速行为，只是车辆进行车道转移，而日本假定车辆在渐变段时已经发生发电机减速行为。经大量实验与理论验证，此两种假定也适用于中国的国情。
        采用美国AASHTO二次减速理论对单车道直接式减速车道长度进行计算建模，建立符合车辆三段式减速行驶状态的减速车道长度计算模型。
        因此，减速车道长度计算模型为：
        式中：L—减速车道长度（m）；L0—渐变段长度（m）；L1—第一次减速段长度（m）；L2—第二次减速段长度（m）；va—主线平均行车速度（km/h）；vb—第一次减速后的速度（km/h）；vc—匝道平均行车速度（km/h）；a1—第一次减速的减速度（m/s2）；a2—第二次减速的减速度（m/s2）；t1—发动机制动时间（s）。
        3.城市立交变速车道长度设计注意事项
        通过对国内外互通式立交变速车道长度研究现状可知，大多数都是基于高速公路变速车道长度设计展开的，以城市互通立交为研究对象的数量并不多，且城市道路与高速公路有着不同的车辆组成和车辆行驶规律，因此难以将高速公路的相关研究成果直接用于城市立交变速车道长度设计中，针对城市立交变速车道长度设计有如下几点注意事项：
        （1）在变速车道长度设计中，最重要的部分是参数的取值研究，相同的计算模型，采用不同的参数取值，其结果会大相径庭，国内大多数的参数取值都是参考的国外取值，因此，需要针对实际的道路交通特性进行实地调研，从而得出适用于中国城市互通立交变速车道长度的设计值。
        （2）在变速车道长度计算模型建立中，应该重视对不同地形、环境条件的研究，如在山地城市和平原城市、高速公路变速车道长度计算模型的差异。
        （3）建立的变速车道长度计算模型应与相应的城市类型相匹配，相关变速车道长度设计交通参数的取值应符合该城市车辆交通实际行驶情况，此外，相关的变速车道长度设计研究成果应适用于该城市实际变速车道长度设计中。
        4.结语
        在现有的城市立交变速车道长度设计依据中，《规范》和《规程》都给出了推荐值，但取值不一致，且都是在参考国外取值的情况下给出的。因此，城市立交变速车道的设计需要跟随道路、车辆以及环境条件的变化不断更新、与时俱进，对于城市互通立交车辆行驶的安全性、畅通性、舒适性具有重要的意义。
        参考文献：
        [1]中华人民共和国国家标准. 城市道路交叉口设计规程. [S]，2010.
        [2]中华人民共和国国家标准. 城市道路交叉口规划规范. [S]，2011.