美国高速公路几何设计的技术要点
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摘 要：美国AASHTO规范与中国规范在公路几何设计方面的基础理论是一致的，只是侧重点和表现形式略有不同，部分设计理念差异较大。AASHTO规范较为灵活，相关条文不苛求具体详尽，给设计人员提供了充分的灵活设计空间。为达到对标准和各项指标的灵活掌握应用，依托巴基斯坦卡拉奇-拉合尔高速公路，介绍了美国AASHTO规范中的高速公路几何设计的技术要点，供设计人员参考。
关键词：AASHTO 卡拉高速公路 几何设计 技术要点
中图分类号：U412.36 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）02（c）-0054-03
根据EPC模式/“交钥匙”工程招标文件的规定，巴基斯坦卡拉奇-拉合尔高速公路勘察设计采用美国规范，按照业主要求，几何设计规范采用《AASHTO A Policy on Geometric Design of Highways and Streets 2011》。
1 设计依据
1.1 道路功能
AASHTO規范比较侧重道路功能的分类及其协调关系，认为道路功能是几何设计标准选取的最基础、最重要的控制因素。
AASHTO规定高速公路属于主要干线系统，完全控制出入，其主要目的是保证车辆在交通量大的地段高速行驶时的安全性和高效性。完全控制就是管理机构只对选定的公用道路提供进路连接，并禁止设置平面交叉或直接与私用道路连接，通过控制出入使直行车辆得以优先通行。
1.2 设计车辆
AASHTO规定的设计车辆分为小客车、公共汽车、载重汽车和旅游车四大类，并细化提供了代表这些通用类型汽车的20种设计车辆的尺寸。一般情况下采用载重汽车WB-19为设计车辆。
1.3 设计速度与设计交通量
AASHTO认为设计速度是用来确定道路不同几何设计特征的。设计速度应该是一个合乎逻辑的速度，反映地形、预期运行速度以及临近土地使用和公路功能分类的特征，在建设初期采用较低的设计速度而节约资金是不可取的，因为后期由于环境破坏及交通不便要求改建主要公路设施时，所花费的成本将会更大。
乡区高速公路设计速度选取范围为80～130km/h，只要地形允许，应采用110km/h的设计速度，山区段可采用符合驾驶员期望的80～100km/h的设计速度。
乡区高速公路通常按设计年限20年的规划交通量设计，并提供更长的服务时间。
1.4 服务水平
AASHTO将服务水平划分为A（最不拥挤）～F（最拥挤）6个等级，并根据公路功能级别、地形条件推荐选用相应的设计服务水平。
乡区高速公路宜采用B级服务水平，但对于交通量较大的辅道可采用C级服务水平。
2 平面
2.1 线形要素
高速公路为道路使用者提供安全、高效、舒适的使用环境，其平面线形应与地形特征相适应。组成平面线形的要素有直线、圆曲线和缓和曲线3种。
2.2 圆曲线
AASHTO规定的圆曲线最小半径有以下4种：
（1）最小圆曲线半径，由最大超高和横向摩擦系数确定。
（2）不设超高的最小圆曲线半径。
（3）取消反向路拱的最小圆曲线半径，是超高值为正常路拱横坡时的最小圆曲线半径。
（4）不设缓和曲线的最小圆曲线半径。
、、的取值均与最大超高和设计速度有关，而仅与设计速度有关。详见表1。
2.3 缓和曲线
AASHTO规定，当圆曲线半径小于不设缓和曲线的最小圆曲线半径时，为了适应车辆的行驶轨迹及满足超高过渡的需要，平曲线应设置缓和曲线。一般采用回旋线作为缓和曲线。
AASHTO规范中关于回旋线长度的规定是基于驾驶的舒适度和车辆的偏移情况确定的。当车辆驶入曲线，合适的回旋线长度不会让驾驶员随着向心加速度的增加产生不舒适的感觉，也能保证车辆在正常的轨迹下行驶，其侧向偏移量不会超出自己的行车道，但回旋线长度过长会误导驾驶员认为前方圆曲线的半径较小，也会存在安全隐患。
（1）最小长度。
回旋线的最小长度取下列公式计算出的最大值：
式中：为回旋线的最小长度，m;
为车辆在直线和圆曲线之间的缓和曲线上的最小偏移量，取0.2m;
为圆曲线半径，m;
为设计速度，km/h;
为向心加速度的最大变化率，取1.2m/s3。
（2）最大长度。
回旋线的最大长度按下式计算：
式中：为回旋线的最小长度，m;
为车辆在直线和圆曲线之间的缓和曲线上的最小偏移量，取0.2m;
为圆曲线半径，m。
（3）期望长度。
AASHTO认为回旋曲线的长度是设计中的重要控制值，当回旋曲线长度大约等于车辆行驶中的自然轨迹长度时，车辆的行驶状态是最理想的，如果这两个长度相差过大，就会导致车辆的操作行驶问题，如在缓和曲线的末端，车辆产生过大的侧向速度和侧向位移。因此，AASHTO规范给出了期望的回旋曲线长度值，这些长度值是车辆在设计速度下2s的行驶长度。对于多数驾驶员来说，2s的运行时间代表了车辆行驶出自然的行驶轨迹所需要的时间（见表2）。 实际设计中，对于不同半径的圆曲线，如果期望的回旋线长度小于由上述公式计算的最小值，设计中应采用由公式计算所得的最小值。同时，建议回旋线长度应与超高缓和段长度相同，如果超高缓和段长度小于由公式计算所得的回旋线最小值，应适当调整超高缓和段长度，使其与回旋线长度相近。
2.4 平曲线长度
AASHTO规定，当公路转角大于5°时，在主要公路上，平曲线的最小长度应大约为设计速度（km/h）的3倍，即;在可以高速行驶的道路上，采用较缓的曲率时，考虑道路的美观，平曲线的最小长度应大约为设计速度（km/h）的6倍，即。当公路转角为5°时，平曲线的最小长度应不小于150m，并且转角每减少1°，最小长度应增加30m。
2.5 技术要点
（1）线形应与地形地物相适应，并尽可能直捷，曲线转角应尽量的小，但要采用足够的平曲线长度。
（2）一般应尽量采用平缓的圆曲线，要尽可能避免采用最小圆曲线半径，仅在最困难的地方可采用最小圆曲线半径。
（3）线形应连贯，不应在长直线的末端连接较急的转向。
（4）在曲线半径较小的路段最好避免使用复合曲线，必须采用时，相邻圆曲线半径比小于1.5。
（5）应避免采用突然的反向线形，反向圆曲线间的最小间距应等于超高缓和段长度和直线缓和段长度之和。
（6）同向圆曲线间应设置足够长的直线，避免“断背”或“平背”曲线。
3 纵断面
3.1 纵坡
（1）最大纵坡。
AASHTO对最大纵坡的规定是依据地形类别和设计速度确定的（见表3）。
受地形条件或其他特殊情况限制时，山岭区最大纵坡可增加1%。
（2）最小纵坡。
AASHTO对最小纵坡的规定较为宽松，是综合考虑后确定的。在不设路缘石的公路上，如果路拱有足够的横坡坡度满足路面的横向排水，那么设计中可以采用平缓的;在设有路缘石的公路上，则应设置合适的最小纵坡以利于路面横向排水，通常会采用0.5%的最小纵坡，但是在路基坚固，路拱设计要求精确的高级道路上，也可采用0.3%的最小纵坡。
3.2 坡長
AASHTO规定的坡长是指相邻竖曲线间直线段长度，当竖曲线为坡长的一部分时，必须采用近似的当量直线段长度。对于Ⅱ、Ⅳ类型竖曲线，当其坡度差较小时，坡长可以取竖曲线交点之间的长度（VPI）;对于Ⅰ、Ⅲ类型竖曲线，考虑将竖曲线长度的1/4左右作为坡长的一部分（见图1、图2）。
AASHTO对最小坡长未做明确规定，对最大坡长的规定与设计速度无关，是以载重汽车速度低于平均速度的速度折减量为依据确定的。速度折减量的推荐值为15km/h。
3.3 竖曲线
AASHTO规范中竖曲线是用坡度变化率的倒数K值控制的，计算公式如下：
式中：为纵坡度变化1%所需的长度，m;
为竖曲线半径，m;
为竖曲线长度，m;
为纵坡度代数差，%。
AASHTO关于凸形竖曲线的设计控制是以满足停车视距要求确定的，关于凹形竖曲线的设计控制是综合考虑车头灯视距、驾乘人员的舒适性、排水要求和路容要求等4个因素确定的（见表4）。
凸形竖曲线最小长度：
凹型竖曲线最小长度：
公式（4）（5）中，为停车视距，m。
3.4 技术要点
（1）一般应尽量采用平缓的纵坡，仅在地形限制情况下可采用最大纵坡和最大坡长。
（2）应避免“惯性飞车”型、“暗凹”型或“断背”型的纵断面。
（3）连续长、大下坡中宜将最陡的纵坡放在底部，坡顶的纵坡宜放缓，或者用短的缓坡段将连续的纵坡断开，以代替均匀的、可能略小于容许最大纵坡的连续纵坡。
4 结语
美国AASHTO规范与中国规范在公路几何设计方面的基础理论是一致的，只是侧重点和表现形式略有不同。由于中美经济、文化、地域等的差异，在几何线形对行车安全影响方面的理解差异较大，导致部分设计理念差异较大，比如缓和曲线的使用。AASHTO规范较为灵活，其更侧重对设计的引导，而非强制性限制，其相关条文规定多为介绍性规定，不是很具体详尽，如平曲线长度、平面线形组合、相邻圆曲线的最小间距（同向和反向）、坡长限制等，让设计人员在具体设计指标的把握上稍显困难，但给设计人员提供了充分的灵活设计空间。对于具体实施的项目，业主要求里会规定各项指标值，这些指标值是对规范规定的进一步细化，充分体现其灵活性。因此，对标准的掌握、指标的灵活运用，在美国AASHTO几何设计中得到了真正的体现。
参考文献
[1] 胡海宗.中美两国高速公路平面几何设计对比分析[J].交通科技，2017（6）：98-100.
[2] 赵春广.浅谈美国规范几何设计在工程实践中的运用[J].低碳世界，2017（25）：124-126.
[3] 丁敏.中美两国公路设计理念上的差异[J].交通世界，2012（8）：202-203.
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