港区道路平面线形设计要点研究

白子建，龚凤刚，王玉秀

（天津市市政工程设计研究院，天津市 300051）

0 引言

线形是港区道路的骨架，它是决定港区车辆的行车安全、舒适、经济及港区道路的通行能力的重要因素。线形设计是港区道路设计的关键，线形设计的好坏是港区道路总体设计及其设计质量高低的重要评价标准。

港口的地理位置比较特殊，一般是多条道路的起点或终点，同时又是大宗货物和客流的集散中心，并且港区交通需求中大型车辆占较大比例，其动特性与小汽车有很大差别，所以与之关联的港区内外道路的交通特性有别于一般公路和城市道路。港区道路平面线形设计中，通常采用直线、圆曲线和缓和曲线（通常为回旋线）三种基本线形，实际设计过程中，需要根据港区道路交通特点对各种线形比例进行优化组合，对各种线形参数进行合理选择。

1 港区道路交通的特殊性

（1）港区车辆构成分析

港内道路交通车辆构成复杂，包括客车、集装箱卡车、中型货车、大型货车、油罐车等。以天津市为例，根据交通调查，港区各主要路段车型构成与城市道路车型构成如表1、表2所示。

从表中可以看出，港口各主要路段加长集装箱车、大中型货车等所占比例较大，在50%～90%之间，相对于城市道路大中型车辆比例30%～40%，是港内道路车辆构成主要特征。加长集装箱车、大中型货车特点是体型大，车身长，重量大，以JYBC3型集装箱运输半挂车为例，其车身长12.24 m，宽2.49 m，高1.48 m，额定载重量34 t，自重6 t，总重量40 t，见图1。

港区道路线形的设计要考虑到道路车型的影响，通过行驶车辆的受力分析，合理调整曲线半径、长度等各种线形参数来满足港区道路车辆对行车安全及舒适性的要求。

表1 天津港各路段车型构成比例 （单位：%）

（2）港区车辆行驶速度分析

港区道路车辆速度构成和城市道路有明显不同，港区内的车辆运行规律和特性很大程度由港区内作业流程及其运输需要决定，港区道路中集装箱卡车、大中型货车占有较大比例，行驶特性具有显著特点，对港区道路车辆进行速度分析，可以从交通运行角度衡量港区内的交通现状。

下面以天津市为例，港区道路选择新港四号路为典型路段，根据交通调查数据，地点车速频率分布与城市道路对比（左为港区道路，右为城市道路）如图2所示。

从图2中可以得出，新港四号路段车辆平均车速46.2 km/h，市区道路车辆平均车速为40.2 km/h，港区车速高于市区道路平均车速，这就要求在对港区道路线形设计时，应特别考虑车辆速度偏高时对道路线形安全性的要求，合理调整各种线形参数。

表22000～2007年天津市道路车辆构成比例

2 港区车辆弯道行驶受力分析

港区道路上车辆以大中型车为主，港区车辆体型大、速度较快的特点，需要特别考虑车辆行驶的安全性。下面以大中型车为例，通过分析大型车辆在弯道行驶时的受力情况(见图3),来说明车辆受力及速度对曲线半径的影响。

图3中，B点为靠近弯道内侧的汽车轮胎着地点；A点为靠近弯道外侧的汽车轮胎着地点；G为汽车装载后的总重量；F为转弯时受到的离心力；T1，T2为汽车左右轮胎受到地面法向反力；Pf1,Pf2为汽车左右轮胎受到地面横向摩擦力；α为路面横坡坡度角；L为汽车轮距；R为平曲线半径；u为汽车转弯速度；μ为横向摩阻系数。

车辆转弯时，受到的离心力、合力平衡和合力矩平衡：

A力矩平衡，有：B力矩平衡，有：

当汽车重力、离心力的横向合力大于路面能提供的最大横向摩擦力时，车轮就会发生横向移动，汽车不发生横向滑移的稳定性条件分析如下：

内外轮所受的摩擦力方向向外:

车辆不会向内滑侧滑的条件：

内外轮所受的摩擦力方向向内：

车辆不发生向外侧滑的条件：

由《公路工程技术标准》（JTG 01-2003）可知，一般混凝土路面f值为0.4～0.6，沥青路面为0.4～0.8，故ih＜arctan（μ）,即高等级公路上行驶的车辆一般不会向内侧滑移，用V（km/h）替代u（m/s），得到车辆不发生侧滑的车速条件:

通过港区行驶车辆受力分析，可以得出车辆弯道安全行驶的车速条件，为道路设计车速的设定及道路线形设计提供依据。

3 港区道路平面线形设计要点

港区道路平面线形设计要素包括直线、圆曲线及缓和曲线等。

港区道路具有不同于一般城市道路的地理及气候条件，港区道路所处的港口气候潮湿，路面湿滑，风力较大，这都是线形设计不可忽略的考虑因素。在港区道路平面设计时，要根据港区的地形、气候条件，驾驶员的动视觉特点、心理感受及保证行车安全等因素，合理地布设路段。

3.1 直线设计

（1）最大直线长度设计

长直线主要出现在平原微丘区的线形设计中，采取最大直线长度限制的原因是避免过长的直线所带来的驾驶枯燥感、视野单调感和不安全因素。我国的现行规范对此未作明确的规定，但设计中通常参照德国的规范，最大直线长度以20倍设计速度的值控制，由于港区道路有车辆体型大、速度快的特点，港区道路线形设计时，应根据港区实际地形，适当延长直线的距离，提高车辆行驶的安全性。

（2）平曲线间最小直线长度设计

两平曲线间的直线长度不宜过短。《公路路线设计规范》（JTG D20-2006）规定“对于设计速度大于或等于60 km/h的公路,同向曲线之间最小直线长度(以米计)以不小于设计速度(km/h)的6倍为宜；反向曲线之间最小直线长度(以米计)以不小于设计速度(km/h)的2倍为宜”。港区车辆行驶速度较快，在道路设计时，最小直线长度最好控制在8倍左右,能获得较满意的效果。

3.2 圆曲线设计

圆曲线特性分析：

（1）圆曲线半径。行驶在曲线上的汽车受离心力作用使其稳定性受到影响，离心力大小与曲线半径密切相关，半径越小越不利，而半径过大的话，则跟直线无多大区别。圆曲线半径的确定受行车速度、横向力系数以及超高横坡度的影响，根据汽车行驶在曲线上力的平衡式得到：

各参数的定义如下：

R是圆曲线半径；V为行车速度，km/h；μ为横向力系数，极限值为路面跟轮胎之间的横向摩阻系数；ih为超高横坡度。

根据港区道路交通特点，较高的车速需要相应较大的ih来保持行车的稳定性，而较高的ih又会对行车安全造成威胁，根据行驶车辆的受力平衡分析，港区最大超高横坡度一般可以设为5%～7%，积雪冰冻地区极限值为5%，横向力系数μ取0.05～0.08能较好地满足行车安全性跟舒适性条件。

（2）圆曲线最小长度。车辆在道路上行驶时，过短的曲线长度会通过造成驾驶员的频繁操作而带来行车安全隐患，一般认为，车辆在圆曲线上行驶的时间不应短于3 s。即圆曲线最小长度（m）：

其中V为设计速度（km/h）。

结合港区车辆体型、速度特点，以及通过对港区车辆的受力安全性分析，可以将圆曲线的最小长度（m）修正为:

其中V为设计速度（km/h）,即通过延长圆曲线长度来提高车辆行驶的安全性。

3.3 缓和曲线设计

缓和曲线是设置在直线与圆曲线之间或者半径相差较大的两个转向相同的圆曲线之间的一种曲率连续变化的曲线，由于汽车行驶轨迹非常接近回旋线,加上回旋线线形美观、顺滑、柔和 ,能诱导视觉,符合驾驶者的视觉和心理要求 ,因此缓和曲线多采用回旋线即曲率半径跟曲线长度成反比的曲线，用公式描述即：

R为回旋线上某点的曲率半径，m；L为回旋线某点到原点的曲线长度，m；A为回旋线参数，m。

（1）回旋参数A的确定

在确定回旋线参数时，应在范围R/3≤A≤R内选定，具体取值范围可以参考《公路路线设计规范》（JTG D20-2006）。港区车辆体型、载重大以及速度高，应该适当减小A的取值，以避免速度方向的快速变化对行车带来的安全隐患，在港区道路平面线形设计中，A经修正后在范围R/3≤A≤2R/3内选定可以较好地满足行车安全条件。

（2）缓和曲线最小长度

港区道路缓和曲线的最小长度确定可以参考《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）。

在实际中考虑到驾驶员驾驶舒适性、安全性、驾驶时间不宜过短以及超高渐变率适中来具体确定缓和曲线大的最小长度，港区道路缓和曲线最小长度一般可取80～100 m。

4 结语

道路平面线形的设计会受到社会经济、自然地理和技术条件等多重因素的制约。需要设计者在进行充分调查、掌握大量可靠资料的基础上，利用现行的技术标准和设计规范，结合当地的地形、地质和地物等条件，设计出一条经济、合理而又与自然景观相协调的路线。

本文在分析港区道路交通特性的基础上，结合车辆行驶时的受力分析，对港区道路平面线形设计过程所采用的线形进行了分析，并对各种关键线形控制参数进行了分析和修正，最终设计出一条适合港区特点的道路线形。