Проектирование сверхвысокого уровня: расчеты, стандарты и практические примеры

Суперподъем, также известный как дорожное банковское дело или кант, является критическим элементом проектирования в дорожном хозяйстве и транспорте, который включает наклон поверхности дорожного покрытия на горизонтальных кривых. Этот банковский эффект помогает транспортным средствам безопасно и комфортно перемещаться по кривым, противодействуя центробежным силам, которые выталкивают транспортные средства наружу во время поворотных маневров. Правильная конструкция суперподъема имеет важное значение для снижения риска заноса, аварий с опрокидыванием и дискомфорта водителя, а также для повышения общей безопасности дорожного движения и операционной эффективности. Это всеобъемлющее руководство исследует фундаментальные принципы, методы расчета, стандарты проектирования и практические применения суперподъема в современном дизайне дорожного полотна.

Понимание основ сверхвысокого

Когда транспортное средство движется по изогнутому пути, оно испытывает центробежную силу, которая толкает его к внешней стороне кривой. Без надлежащих контрмер эта боковая сила может заставить транспортные средства выскакивать наружу, особенно на более высоких скоростях или на кривых с меньшими радиусами. Сверхвысота решает эту проблему, наклоняя поверхность дороги, создавая банковский угол, который помогает перенаправить гравитационные силы для противодействия центробежному эффекту.

Концепция сверхвысоты используется в транспортном проектировании уже более века, с применением от железнодорожных путей до современных шоссе и ипподромов. Основная цель состоит в том, чтобы создать баланс между внутренней составляющей веса транспортного средства (из-за банковской) и внешней центробежной силой, позволяя транспортным средствам ориентироваться по кривым с минимальной зависимостью от трения шин.

Эффективная конструкция надстройки должна учитывать множество факторов, включая скорость проектирования, радиус кривой, характеристики транспортного средства, трение тротуара, климатические условия и поведение водителя.Процесс проектирования требует тщательного рассмотрения этих переменных для достижения оптимального баланса между безопасностью, комфортом и практическими ограничениями конструкции.

Физика, стоящая за дизайном сверхвысокой высоты

Для понимания расчетов сверхвысоты необходимо уловить основную физику. Когда транспортное средство движется по горизонтальной кривой с постоянной скоростью, оно испытывает центростремительное ускорение, направленное к центру кривой. Это ускорение необходимо для изменения направления транспортного средства и обеспечивается комбинацией двух сил: бокового трения между шинами и тротуаром и горизонтальной составляющей нормальной силы, возникающей в результате окаймленной поверхности проезжей части.

Силы, действующие на транспортном средстве в кривой

Несколько сил действуют на транспортное средство, перемещающееся по сверхвысокой кривой. Вес транспортного средства действует вертикально вниз из-за силы тяжести. На окаймленной поверхности этот вес может быть разбит на две составляющие: одна перпендикулярна поверхности проезжей части (нормальная составляющая) и одна параллельна поверхности (тангенциальная составляющая). Тангенциальная составляющая действует по наклону сверхвысоты, помогая тянуть транспортное средство к внутренней части кривой.

Центробежная сила, которая на самом деле является псевдосилой, испытываемой во вращающейся системе отсчета транспортного средства, как представляется, выталкивает транспортное средство наружу из кривой. В действительности инерция транспортного средства заставляет его хотеть продолжать по прямой линии, а изогнутый путь требует чистой внутренней силы. Сила трения между шинами и тротуаром может действовать либо внутрь, либо наружу, в зависимости от того, движется ли транспортное средство быстрее или медленнее равновесной скорости для заданной скорости супервысоты.

Равновесная скорость и боковое трение

Для любой данной комбинации скорости супервысоты и радиуса кривой существует равновесная скорость, при которой транспортное средство может перемещаться по кривой, не полагаясь на боковое трение. При этой скорости горизонтальная составляющая нормальной силы точно уравновешивает требуемую центростремительную силу. Когда транспортные средства движутся быстрее равновесной скорости, боковое трение должно действовать внутрь, чтобы предотвратить занос наружу. И наоборот, при движении медленнее равновесной скорости трение должно действовать наружу, чтобы транспортное средство не сползало по окаймленной поверхности к внутренней части кривой.

Коэффициент бокового трения представляет собой отношение силы бокового трения к нормальной силе между шинами и тротуаром. Этот фактор зависит от многочисленных переменных, включая характеристики поверхности тротуара, состояние шин, погодные условия и скорость транспортного средства. Стандарты проектирования обычно определяют максимальные факторы бокового трения, на которые можно безопасно положиться, со значениями, уменьшающимися по мере увеличения скорости проектирования, чтобы учесть снижение взаимодействия шин с тротуаром на более высоких скоростях.

Методы расчета сверхвысокой высоты и формулы

Фундаментальное уравнение для конструкции супервысоты относится к скорости супервысоты, фактору бокового трения, скорости конструкции и радиусу кривой. Это соотношение выводится из равновесия сил, действующих на транспортное средство, проходящее через горизонтальную кривую.

Базовое уравнение супервозвышения

Основная формула, используемая в конструкции сверхвысоты, это:

e + f = V2/ (g × R)

Где:

Это уравнение может быть перестроено для решения любой из переменных, в зависимости от проектных ограничений.В большинстве практических применений известны или заранее определены скорость проектирования и радиус кривой, а уравнение используется для определения требуемой скорости супервысоты.

Альтернативные формулы для различных систем

При работе с метрическими единицами и расчетной скоростью, выраженной в километрах в час, формулу можно переписать так:

e + f = V2 / (127 × R)

Где V в км/ч и R в метрах.Константа 127 является результатом преобразования единицы и гравитационного ускорения (127 ≈ 3,62 × 9,81).

Для имперской системы со скоростью в милях в час и радиусом в футах формула становится:

e + f = V2/ (15 × R)

Где V находится в миле в час, а R в футах.Константа 15 учитывает соответствующие единицы преобразования (15 ≈ 1,4672 × 32,2).

Определить уровень супервозвышения

Для расчета требуемой скорости супервысоты для конкретной кривой уравнение перегруппировано следующим образом:

e = (V2/(g × R)) — f

Коэффициент бокового трения (f) обычно получают из таблиц или диаграмм проектирования, которые определяют максимальные значения на основе скорости проектирования. Эти значения представляют собой максимальное трение, на которое можно безопасно полагаться при различных условиях. Используя максимально допустимый коэффициент трения, конструкторы могут рассчитать минимальную требуемую скорость супервысоты. Однако практика проектирования часто включает распределение бокового спроса на силу между супервысотой и трением более сбалансированным образом, а не максимизацию использования трения.

Минимальные радиевые расчеты

Уравнение супервысоты также может быть использовано для определения минимального радиуса для заданной расчетной скорости при применении максимальных значений сверхвысоты и трения:

Rmin = V2/[g ×[e]max + fmax]

Этот расчет имеет решающее значение на этапе предварительного проектирования, с тем чтобы предлагаемые горизонтальные выравнивания могли учитывать скорость проектирования с приемлемыми скоростями перевысоты. Кривые с радиусами, меньшими минимального значения, потребуют либо снижения скорости проектирования, либо превышения скорости перевысоты, превышающих практические пределы.

Стандарты и руководящие принципы проектирования для сверхвысокого уровня

Различные организации и транспортные агентства установили всеобъемлющие стандарты и руководящие принципы для проектирования супервысоты.Эти стандарты предоставляют подробные процедуры, таблицы и диаграммы, чтобы помочь инженерам в определении соответствующих скоростей супервысоты для различных классификаций дорог и условий проектирования.

Руководящие принципы и стандарты ААСХТО

Американская ассоциация государственных дорожных и транспортных чиновников (AASHTO) публикует широко используемую «Политику геометрического проектирования автомобильных дорог и улиц», широко известную как «Зеленая книга», которая служит основным ориентиром для проектирования дорог в Соединенных Штатах.Руководящие принципы AASHTO обеспечивают всеобъемлющие процедуры для проектирования сверхвысот, включая рекомендуемые максимальные ставки, факторы бокового трения и методы распределения.

Согласно стандартам AASHTO, максимальные скорости переподъёма обычно варьируются от 4% до 12%, в зависимости от климатических условий, рельефа местности и типа местности (сельский или городской). В районах с частым льдом и снегом рекомендуется более низкие максимальные ставки (4% до 6%) для предотвращения скольжения транспортных средств по окаймленной поверхности при движении на низких скоростях по скользкому тротуару. В умеренном климате с менее суровой погодой максимальные ставки от 8% до 10% являются обычным явлением, в то время как в некоторых сельских районах в теплом климате могут использоваться ставки до 12%.

AASHTO предоставляет подробные таблицы, в которых указываются максимальные коэффициенты бокового трения для различных расчетных скоростей. Эти значения обычно уменьшаются по мере увеличения скорости, отражая снижение взаимодействия шины с покрытием на более высоких скоростях. Например, при расчетной скорости 30 миль в час (50 км/ч) максимальный коэффициент бокового трения может составлять 0,17, в то время как при 70 миль в час (110 км/ч) он может быть уменьшен до 0,10.

Международные стандарты дизайна

В разных странах разработаны свои собственные стандарты проектирования, которые могут варьироваться в зависимости от конкретных значений и процедур, следуя аналогичным фундаментальным принципам. Европейские стандарты, такие как опубликованные отдельными национальными дорожными властями, часто определяют максимальные коэффициенты перевеса от 6% до 8% для большинства применений шоссе, с некоторыми вариациями, основанными на местных условиях и философии дизайна.

Транспортная ассоциация Канады (TAC) предоставляет геометрические руководящие принципы проектирования для канадских дорог, которые аналогичны стандартам AASHTO, но адаптированы к канадским условиям и практике. Австралийские стандарты, опубликованные Austroads, и британские стандарты из руководства по дизайну дорог и мостов (DMRB) предлагают сопоставимые рекомендации, адаптированные к их соответствующим контекстам.

Максимальный выбор ставки супервысоты

Выбор максимальной скорости перевысоты для проекта предполагает рассмотрение нескольких факторов. Климат является основным фактором, поскольку ледяные или снежные условия создают опасность для транспортных средств, медленно движущихся по кривым с высокой рамкой. В таких условиях транспортное средство может скатиться вниз к внутренней части кривой из-за недостаточного трения, чтобы противодействовать склону.

Тип местности влияет на выбор, с горными районами, иногда требующими более низких максимальных ставок из-за проблем строительства и поддержания крутых перекрестных склонов. Городской контекст также имеет значение, поскольку городские районы обычно используют более низкие максимальные ставки (часто от 4% до 6%) для размещения более медленных транспортных средств, частых остановок и присутствия пешеходов и велосипедистов. Сельские автомагистрали, особенно высокоскоростные объекты, могут использовать более высокие ставки (от 8% до 12%), чтобы лучше выполнять свою основную функцию размещения через движение на скорости проектирования.

Еще одним соображением является частота медленно движущихся транспортных средств. Дороги, на которых регулярно размещаются грузовики, поднимающиеся по крутым отметкам или сельскохозяйственное оборудование, могут извлечь выгоду из более низких максимальных коэффициентов переподъема, чтобы уменьшить трудности, с которыми сталкиваются эти транспортные средства при прохождении кривых на низких скоростях.

Методы распределения сверхвысокой

Стандарты проектирования обычно представляют несколько методов распределения бокового спроса на силу между сверхвысотой и боковым трением по диапазону радиусов кривой. AASHTO описывает пять методов, каждый с различными философиями относительно того, как сбалансировать эти два компонента.

Метод 1 предполагает использование криволинейного распределения, которое пытается поддерживать согласованную связь между супервозвышением и трением во всем диапазоне радиусов кривой. Метод 2 использует супервозвышение и трение в прямой пропорции к их максимальным значениям. Метод 3 применяет криволинейное распределение, аналогичное Методу 1, но с различной пропорцией. Метод 4 использует максимальное супервозвышение для всех кривых, требующих более заданного минимального значения, опираясь на трение для остальной части. Метод 5 использует линейное распределение супервозвышения до максимального значения.

Выбор среди этих методов зависит от философии дизайна, при этом некоторые агентства предпочитают максимизировать использование сверхвысоты, чтобы минимизировать зависимость от трения, в то время как другие ищут более сбалансированный подход.Метод 5 обычно используется из-за его простоты и относительно плавного прогрессирования скорости сверхвысоты, которую он производит.

Дизайн перехода на супервысоту

Переход от нормального увенчанного или перекрёстного участка проезжей части к полностью перевысокому сечению является критическим аспектом конструкции кривой. Этот переход должен осуществляться постепенно, чтобы избежать резких изменений, которые могут вызвать дискомфорт водителя, нестабильность транспортного средства или проблемы с дренажем.

Длина взлета сверхвысоты

Сток сверхвысоты - это длина проезжей части, необходимая для выполнения изменения поперечного наклона от нормального участка к полностью сверхвысокому. Эта длина зависит от нескольких факторов, включая скорость проектирования, количество повернутых полос и общее изменение поперечного наклона. Более высокие скорости проектирования требуют более длинных пробегов, чтобы скорость изменения бокового ускорения оставалась в комфортных пределах для водителей.

AASHTO предоставляет таблицы и формулы для расчета минимальной длины стока сверхвысоты на основе скорости проектирования и изменения высоты края тротуара. Общий принцип заключается в том, что относительный градиент между краем тротуара и центральной линией (или осью вращения) не должен превышать определенные максимальные значения, как правило, в пределах от 0,35% до 0,80% в зависимости от скорости проектирования.

Минимальная длина стока может быть рассчитана по формуле:

L = (w × Δe) / Δmax

Где:

Тангентная длина бега

Перед началом скачка сверхвысоты должен быть снят нормальный наклон кроны или поперечного ската, образующий секцию с нулевым поперечным наклоном (плоский по ширине). Требуемая для этого перехода длина называется тангенсной выпадающей длиной. Длина тангенсной выпадающей длиной обычно рассчитывается как длина, необходимая для удаления нормального поперечного наклона с той же скоростью, что и для сверхвысотного выпадения.

Для двухполосной дороги с нормальной короной тангенсный сток удаляет корону, вращая внешнюю полосу вверх, пока все поперечное сечение дороги не станет плоским. Эта длина, как правило, пропорциональна нормальной скорости поперечного наклона и следует тем же критериям относительного градиента, что и сток сверхвысоты.

Ось вращения

Осью вращения является продольная линия, вокруг которой вращается поперечное сечение тротуара при переходе на супервысоту.Общие варианты включают вращение вокруг центральной линии, внутреннего края или внешнего края пройденного пути. Выбор влияет на дренаж, внешний вид и вертикальное выравнивание различных частей проезжей части.

Центростремительное вращение наиболее распространено для неразделенных магистралей, так как минимизирует изменения в профиле и поддерживает симметрию. Для разделенных магистралей каждая проезжая часть обычно вращается вокруг своей собственной центральной линии или внутреннего края. Вращение внутреннего края может быть выгодно для резких кривых, поскольку оно минимизирует изменение высоты на внешнем краю, в то время как вращение внешнего края может использоваться в особых обстоятельствах для контроля дренажа или соответствия существующим условиям.

Перемещение сверхвысокой высоты

Стандарты проектирования содержат указания относительно того, где разместить переход супервысоты относительно кривой. Как правило, тангенсный выход помещается полностью на тангенсную (прямую) секцию, приближающуюся к кривой, в то время как сток супервысоты распределяется между тангенсом и самой кривой. Обычная практика заключается в размещении примерно двух третей стека на тангенсе и одной трети на кривой, хотя это может варьироваться в зависимости от конкретных условий и предпочтений агентства.

Переход должен быть завершен до точки, где требуется полная супервозвышение, которая обычно находится на или немного перед началом круговой кривой.Для кривых со спиральными переходами сток супервозвышения часто координируется с длиной спирали, при этом полная супервозвышение достигается в конце спирали, где начинается круговая кривая.

Особые соображения в дизайне Superelevation

Несколько особых ситуаций требуют модифицированных подходов к проектированию сверхвысоты, включая сложные кривые, обратные кривые, низкоскоростные городские улицы и перекрестки.

Составные и обратные кривые

Составные кривые состоят из двух или более последовательных круговых кривых в одном направлении с разными радиусами. Когда радиусы значительно отличаются, каждая кривая может требовать различной скорости переподъёма. Переход между этими скоростями должен быть тщательно продуман, чтобы избежать резких изменений. Если разница в скоростях переподъёма невелика, для обеих кривых может использоваться одна промежуточная скорость, чтобы упростить конструкцию и повысить комфорт водителя.

Обратные кривые, которые изменяют направление без промежуточного тангенсного сечения, представляют особые проблемы. Сверхвысота должна переходить от банковского в одном направлении к банковскому в противоположном направлении. Для этого требуется удаление супервысоты из первой кривой, прохождение через плоскую или обычно коронованную секцию, а затем применение супервысоты для второй кривой. Общая длина, необходимая для этого перехода, может быть существенной, и стандарты проектирования обычно рекомендуют предоставлять тангенсный участок между обратными кривыми, когда это возможно, чтобы приспособить переход более комфортно.

Низкоскоростные городские улицы

Городские улицы со скоростью проектирования ниже 45 миль в час (70 км/ч) часто используют пониженные скорости переподъёма или могут полностью опускать переподъём на мягких кривых. Этот подход признает, что городские улицы выполняют множество функций за пределами движения транспортных средств, включая доступ пешеходов, парковку на улице и частые проездные пути. Высокие скорости переподъёма могут создавать трудности для этих целей и могут вызывать проблемы с дренажем в городской среде.

Для городских кривых дизайнеры могут выбрать поддержание нормального поперечного наклона (обычно 2% для дренажа), а не применение сверхвысоты, полностью полагаясь на боковое трение, чтобы обеспечить необходимую боковую силу. Это приемлемо для мягких кривых на низких скоростях, где спрос на трение остается в безопасных пределах. Когда сверхвысота используется на городских улицах, ставки обычно ограничены максимумом от 4% до 6%.

Сверхвысота на перекрестках

Пересечения представляют собой уникальные проблемы для конструкции сверхвысоты, особенно когда горизонтальная кривая расположена вблизи или в пределах области пересечения. Наличие поворотных транспортных средств, остановленных транспортных средств и пересечения движения усложняет применение сверхвысоты. В практике проектирования обычно рекомендуется избегать переходов сверхвысоты в пределах областей пересечения и поддерживать постоянный перекрестный уклон через перекресток, предпочтительно нормальный перекрестный уклон для дренажа.

Когда вблизи перекрестков неизбежны кривые, переход на супервысоту должен быть завершен до начала пересечения или кривая должна быть спроектирована с уменьшенной сверхвысотой, соответствующей более низким скоростям, ожидаемым в среде пересечения.Особое внимание должно быть уделено расстоянию обзора, поскольку сверхвысота может влиять на видимость приближающихся транспортных средств и устройств управления движением.

Разделенные автомагистрали и многополосные объекты

Разделенные автомагистрали с отдельными проезжими частями для каждого направления движения требуют особого внимания при проектировании сверхвысоты. Каждая проезжая часть обычно надземная независимо, что может привести к различным значениям профиля для двух направлений, особенно на острых кривых. Средняя ширина может изменяться по кривой, поскольку две дороги наклонены под разными углами.

Для многополосных объектов все полосы в одном направлении обычно вращаются вместе как одна плоскость, сохраняя постоянный поперечный наклон по всем полосам. Такой подход упрощает конструкцию и обеспечивает согласованные условия для водителей по всем полосам. Однако очень широкие проезжие части могут требовать специальной обработки, например, поворота разных участков вокруг разных осей для ограничения общей разницы высот по ширине тротуара.

Практические примеры и тематические исследования

Изучение практических примеров помогает проиллюстрировать применение принципов проектирования сверхвысокой высоты и расчетов в реальных сценариях.

Пример 1: Сельский дизайн кривой шоссе

Рассмотрим сельскую двухполосную магистраль со скоростью проектирования 100 км/ч (62 миль/ч) и горизонтальной кривой радиусом 400 метров (1 312 футов). Максимальная скорость переподъёма для региона составляет 8% (0,08) из-за случайной зимней погоды. Максимальный коэффициент бокового трения для этой скорости проектирования составляет 0,11 согласно руководящим принципам AASHTO.

Используя метрическую формулу: e + f = V2 / (127 × R)

e + f = (100)2 / (127 × 400) = 10 000 / 50 800 = 0,197

Если мы используем метод 5 (линейное распределение), мы вычислим скорость супервысоты на основе пропорции резкости кривой относительно минимального радиуса. Минимальный радиус для этой расчетной скорости с максимальным сверхвысотой и трением будет:

Rmin = (100)2 / (127 × (0.08 + 0.11)) = 10 000 / 24.13 = 414 метров

Поскольку фактический радиус (400 м) меньше минимального радиуса (414 м), эта кривая потребует максимальной скорости сверхвысоты 8%.

f = 0,197 - 0,08 = 0,117

Этот коэффициент трения (0,17) превышает максимально допустимое значение (0,11), что указывает на то, что кривая слишком резка для расчетной скорости при доступной супервысоте. Разработчику необходимо либо увеличить радиус кривой, либо уменьшить расчетную скорость, либо запросить разрешение на использование более высокой максимальной скорости супервысоты, если позволяют условия.

Пример 2: Городская артериальная кривая

Городская артериальная улица имеет расчетную скорость 60 км/ч (37 миль/ч) и включает в себя горизонтальную кривую радиусом 250 метров (820 футов). Максимальная скорость переподъёма для городских районов в этой юрисдикции составляет 6% (0,06), а максимальный коэффициент бокового трения при этой скорости составляет 0,15.

Используя метрическую формулу: e + f = V2 / (127 × R)

e + f = (60)2 / (127 × 250) = 3600 / 31 750 = 0,113

Минимальный радиус для этой скорости проектирования будет:

Rmin = (60)2 / (127 × (0,06 + 0,15)) = 3600 / 26,67 = 135 метров

Поскольку фактический радиус (250 м) больше минимального радиуса (135 м), кривая может быть спроектирована с меньшей, чем максимальная, сверхвысотой. Используя метод линейного распределения, можно вычислить соответствующую скорость сверхвысоты. Для кривых, более плоских, чем минимальный радиус, скорость сверхвысоты может быть пропорциональна на основе степени кривизны.

Разумным подходом было бы решить проблему сверхвысоты при ограничении трения до комфортного значения, такого как половина максимума (0,075):

e = 0,113 - 0,075 = 0,038 или 3,8%

Этот коэффициент перевеса около 4% обеспечит комфортный дизайн, который не будет сильно зависеть от трения, оставаясь при этом в пределах максимально допустимой нормы для городских условий.

Пример 3: Расчет перехода на супервысоту

Для примера с сельской трассой выше с 8%-ной надземностью нужно рассчитать длину перехода. Предположим двухполосную автомагистраль с 3,6-метровыми (12-футовыми) полосами и нормальной венцом 2% (по 1% с каждой стороны от центральной линии). Конструкционная скорость составляет 100 км/ч.

Для вращения вокруг центральной линии общее изменение поперечного наклона для внешней полосы движения составляет от -1% (вниз от центра) до +8% (вверх от центра), общее изменение 9% или 0,09. Используя максимальный относительный градиент 0,50% (пригодный для этой расчетной скорости):

Длина стока L = (3,6 × 0,09) / 0,005 = 0,324 / 0,005 = 64,8 метра

Округление до 65 метров для длины верхнего стокового потока. Тангенсная длина стокового потока, необходимая для удаления 1% короны на внешней полосе, будет:

Вылет тангенса = (3,6 × 0,01) / 0,005 = 0,036 / 0,005 = 7,2 метра

Округление до 8 метров для тангенсного стока. Общая длина перехода от нормальной короны к полному супервысоте составит 65 + 8 = 73 метра. Следуя типичной практике, 8-метровый тангенсный стоек будет полностью размещен на тангенсе, и примерно 43 метра стока будут на тангенсе с оставшимися 22 метрами на кривой.

Пример 4: Дизайн дорожного полотна

Фрейвэйские пандусы обычно имеют более низкие расчетные скорости, чем магистральные, и часто включают относительно резкие кривые. Рассмотрим выходную пандус со скоростью 50 км/ч (31 миль/ч) и радиусом кривой 60 метров (197 футов). Максимальное сверхвысота для пандусов составляет 8%, а максимальный коэффициент бокового трения при этой скорости составляет 0,18.

e + f = (50)2 / (127 × 60) = 2500 / 7 620 = 0,328

Минимальный радиус будет:

Rmin = (50)2 / (127 × (0,08 + 0,18)) = 2500 / 33,02 = 76 метров

Фактический радиус (60 м) меньше минимального радиуса (76 м), что указывает на то, что эта кривая требует максимального перенапряжения и все равно потребует значительного трения:

f = 0,328 - 0,08 = 0,248

Это требование трения (0,248) намного превышает максимально допустимое значение (0,18), что указывает на то, что кривая слишком резкая для скорости проектирования. Конструктор должен либо увеличить радиус до по меньшей мере 76 метров, либо уменьшить скорость проектирования. Если радиус не может быть увеличен из-за ограничений участка, скорость проектирования должна быть уменьшена примерно до 40 км/ч, чтобы сделать кривую приемлемой:

V = √(127 × R × (emax + fmax)) = √(127 × 60 × 0,26) = √1,982 = 44,5 км/ч

Этот пример иллюстрирует важность координации радиуса кривой со скоростью проектирования на этапе предварительного проектирования, чтобы избежать ситуаций, когда геометрические ограничения не могут соответствовать желаемым рабочим скоростям.

Программное обеспечение и инструменты для Superelevation

Современный дизайн шоссе в значительной степени зависит от автоматизированного проектирования (CAD) и специализированного программного обеспечения для гражданского строительства для расчета и моделирования сверхвысоты. Эти инструменты автоматизируют многие сложные вычисления и помогают визуализировать трехмерную геометрию сверхвысоких кривых.

Гражданское 3D и программное обеспечение для проектирования дорог

Программные пакеты, такие как Autodesk Civil 3D, Bentley OpenRoads Designer и Trimble Business Center, включают в себя комплексные модули проектирования сверхвысот.Эти программы позволяют инженерам определять горизонтальные и вертикальные выравнивания, определять критерии проектирования, включая максимальные скорости сверхвысоты и коэффициенты трения, и автоматически вычислять скорости сверхвысоты и длины переходов для каждой кривой.

Программное обеспечение может генерировать подробные отчеты, показывающие скорости перевысоты через регулярные промежутки времени вдоль выравнивания, поперечные виды, иллюстрирующие вращение тротуара, и трехмерные визуализации завершенного дизайна. Эта возможность помогает выявить потенциальные проблемы, такие как проблемы с дренажем, конфликты с смежными функциями или неудобные переходы до начала строительства.

Калькуляторы электронных таблиц

Для более простых проектов или предварительных проектных работ калькуляторы на основе электронных таблиц могут эффективно выполнять вычисления сверхвысокой высоты. Эти инструменты обычно включают в себя фундаментальные формулы, таблицы проектирования от AASHTO или других стандартов и автоматизированный расчет длины переходов. Хотя менее сложные, чем полное программное обеспечение САПР, калькуляторы электронных таблиц доступны, прозрачны в своих расчетах и подходят для многих задач проектирования.

Многие транспортные агентства разрабатывают свои собственные инструменты электронных таблиц, адаптированные к их конкретным стандартам и процедурам проектирования, обеспечивая согласованность проектов и упрощая процесс проектирования для обычных приложений.

Соображения в отношении строительства и контроля качества

Правильное строительство надземных сооружений имеет важное значение для достижения предполагаемых проектных характеристик.Проблемы строительства включают точное установление спроектированных перекрестных склонов, поддержание плавных переходов и обеспечение адекватного дренажа на всех надземных участках.

Контроль за шкалами и классом

Строительная ставка на сверхвысокие кривые должна обеспечивать подрядчикам достаточную информацию для точного построения проектируемых перекрестных склонов. Традиционные методы смотра предполагают постановку ставок через регулярные промежутки времени с вырезанием или заполнением информации для нескольких точек по ширине проезжей части. Современное строительство все чаще использует системы управления машиной с GPS или полным наведением станции, которые могут автоматически управлять сортировочным оборудованием на основе трехмерных моделей проектирования.

Контроль качества при строительстве включает проверку перекрестных склонов в нескольких местах, чтобы убедиться, что построенная надстройка соответствует конструкции. Отклонения от конструктивного перекрестного склона могут повлиять на управляемость транспортного средства и производительность дренажа, поэтому важно поддерживать близкие допуски.

Дренажный дизайн для сверхвысоких секций

На полностью перевысоком уровне вода течет по всей ширине тротуара к внутреннему краю, требуя тщательной конструкции водосточных впусков и канав для сбора и передачи стока. Переходные зоны представляют особые проблемы, поскольку меняющийся перекрестный склон создает области, где изменяются структуры потока воды.

Во время тангенсного стока, когда снимается коронка, существует плоская или почти плоская секция, где вода может пруд, если не урегулирована должным образом. Конструкторы должны обеспечить адекватную продольную сортировку и, возможно, потребуется обеспечить дополнительные отверстия для дренажа в этих областях. Секция стока сверхвысоты также требует внимания, чтобы вода продолжала эффективно стекать по мере изменения перекрестного склона.

тротуарная толерантность к слоупу

Технические характеристики конструкции обычно включают допуски для перекрестных склонов тротуара для обеспечения качества при признании практических ограничений методов строительства. Общие допуски варьируются от ±0,3% до ±0,5% для скорости перекрестного наклона. Более жесткие допуски могут быть указаны для высокоскоростных объектов или кривых с критическими требованиями к сверхвысоте.

Систематические ошибки в поперечном уклоне, такие как последовательное построение склонов более крутых или более плоских, чем проектировалось, могут накапливаться для создания значительных отклонений от предполагаемой геометрии. Программы контроля качества должны включать статистический анализ измерений поперечного склона для выявления и коррекции систематических смещений.

Эффективность безопасности и результаты исследований

Исследования эффективности безопасности сверхвысоких кривых дали ценную информацию об эффективности стандартов проектирования и взаимосвязи между геометрическим дизайном и скоростями крушения.

Скачки на горизонтальных кривых

Горизонтальные кривые последовательно демонстрируют более высокие скорости крушения, чем тангенсные секции, причем увеличение варьируется в зависимости от резкости кривой, скорости проектирования и других факторов.Исследования показали, что кривые с недостаточным сверхвысотой для их радиуса и скорости проектирования испытывают повышенные скорости крушения, особенно для аварий на дорогах со взлетом и опрокидыванием.

В ходе многочисленных исследований была изучена взаимосвязь между дефицитом супервозвышения (разница между обеспеченным и теоретически необходимым сверхвысотой) и риском аварии. Хотя результаты различаются, существует общее согласие в том, что значительные недостатки супервозвышения коррелируют с повышенным риском аварии, особенно в влажных или ледяных условиях, когда доступное трение уменьшается.

Исследование индикаторов Ball Bank

Индикатор банка мяча - это устройство, которое измеряет комбинированный эффект супервысоты и бокового ускорения на пассажиров транспортного средства. Исследования с использованием индикаторов банка мяча помогли установить комфортные пределы для бокового ускорения и повлияли на развитие факторов бокового трения, используемых в стандартах проектирования. Исследования показали, что показания банка мяча хорошо коррелируют с комфортом водителя и что поддержание показаний ниже определенных порогов (обычно от 8 до 14 градусов в зависимости от скорости) приводит к приемлемым уровням комфорта для большинства водителей.

Исследование скорости Operating Speed Research

Исследования фактических рабочих скоростей на кривых показали, что водители часто движутся быстрее, чем скорость проектирования на мягких кривых, и могут двигаться медленнее, чем скорость проектирования на острых кривых. Это поведение влияет на фактический спрос на трение, испытываемый на кривых. Исследования привели к разработке моделей прогнозирования рабочих скоростей, которые помогают дизайнерам предвидеть фактические скорости транспортного средства и гарантировать, что геометрический дизайн учитывает реалистичное поведение водителя, а не полагаться исключительно на установленные ограничения скорости.

Поддержание и реабилитация сверхвысоких кривых

Поддержание надлежащей высоты на протяжении всего срока службы проезжей части важно для обеспечения безопасности и эффективности. Проекты по восстановлению дорожного покрытия предоставляют возможности для устранения недостатков в области сверхвысоты или корректировки сверхвысоты в соответствии с действующими стандартами.

Эффекты наложения моста

При нанесении накладок на тротуар на существующие дорожные полотна может быть затронут перекрестный наклон, если толщина накладки изменяется по ширине тротуара. Накладки однородной толщины поддерживают существующий наклон поперечного сечения, но накладки переменной толщины могут использоваться для корректировки наклонов поперечного сечения или устранения недостатков. Дизайнеры должны тщательно учитывать, как проекты накладки влияют на сверхвысоту, и обеспечить, чтобы полученная геометрия оставалась безопасной и функциональной.

Многократные наложения со временем могут постепенно снижать коэффициенты перенапряжения, если толщина наложения больше на внутреннем краю, чем на внешнем краю, что является обычным явлением из-за дренажных схем и износа трафика. Периодические обследования перекрестных склонов помогают определить места, где сверхвысота была скомпрометирована и необходима реабилитация.

Исправление дефицита сверхвысокой

Когда существующие кривые имеют неадекватное сверхвысотное положение, существует несколько вариантов коррекции. Наиболее прямой подход заключается в реконструкции кривой с надлежащим сверхвысотным положением, что может включать в себя значительные земляные работы и реконструкцию тротуара. Менее дорогостоящей альтернативой является снижение проектной скорости для кривой и установка соответствующих предупреждающих знаков и консультативных скоростных табличек, хотя этот подход может быть неприемлемым на высокоскоростных объектах.

В некоторых случаях радиус кривой может быть увеличен за счет перегруппировки, что снижает спрос на сверхвысоту. Этот вариант требует наличия права на дорогу и может включать экологические и разрешительные соображения. Улучшения безопасности, такие как улучшенная разграничение, полосы грохота и обработка поверхности с высоким трением, также могут помочь снизить риск аварии на кривых с недостатками сверхвысоты, хотя эти меры направлены на симптомы, а не на исправление фундаментального геометрического дефицита.

Будущие тенденции и новые технологии

Достижения в области технологий транспортных средств и транспортных систем начинают влиять на соображения проектирования сверхвысокой планировки и могут привести к изменениям в практике проектирования в ближайшие годы.

Подключенные и автономные транспортные средства

Разработка подключенных и автономных транспортных средств (CAV) поднимает вопросы о будущих требованиях к проектированию сверхвысокой скорости. Автономные транспортные средства с точным управлением скоростью и расширенными возможностями зондирования могут быть в состоянии перемещаться по кривым более последовательно, чем водители-люди, что потенциально позволяет использовать различные подходы к проектированию. Однако смешанные дорожные условия с управляемыми человеком и автономными транспортными средствами, вероятно, будут сохраняться в течение десятилетий, требуя конструкций, которые учитывают оба типа работы.

В настоящее время проводятся исследования, направленные на понимание того, как технология CAV может влиять на геометрические стандарты проектирования, включая требования к сверхвысоте. Некоторые исследователи предполагают, что точное управление скоростью может позволить снизить скорость или более жесткие кривые, в то время как другие подчеркивают необходимость поддерживать конструкции, которые учитывают человеческие драйверы и обеспечивают адекватные запас прочности для сбоев системы или неожиданных условий.

Продвинутые материалы для дорожного покрытия

Разработка поверхностей с высоким трением и усовершенствованных материалов может повлиять на факторы трения, используемые в конструкции сверхвысоты. Некоторые агентства экспериментировали с обработкой поверхности с высоким трением на кривых, чтобы увеличить доступное трение и повысить безопасность. Если такие обработки становятся стандартной практикой, процедуры проектирования могут быть изменены для учета улучшенных характеристик трения, потенциально позволяя снизить скорость сверхвысоты или более резкие кривые для заданной скорости проектирования.

Изменение климата соображения

Изменение климата может повлиять на решения по проектированию сверхвысот в некоторых регионах. В районах, где исторически наблюдались частые лед и снег, что приводило к выбору более низких максимальных скоростей сверхвысоты, может наблюдаться снижение суровости зимы и могут учитываться более высокие максимальные ставки в будущих проектах. И наоборот, регионам, испытывающим увеличение осадков, может потребоваться уделять больше внимания проектированию дренажа для сверхвысоких участков. Стандарты проектирования могут развиваться, чтобы включать климатические прогнозы и адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды в течение срока службы проектных сооружений на дорогах.

Выводы и лучшие практики

Проектирование сверхвысоты является фундаментальным аспектом геометрического дизайна шоссе, который непосредственно влияет на безопасность, комфорт и эксплуатационные характеристики.Успешный проект сверхвысоты требует понимания основной физики, применения соответствующих методов расчета, следования установленным стандартам проектирования и рассмотрения конкретного контекста каждого проекта.

Наилучшие практики в области проектирования сверхвысот включают в себя выбор максимальных скоростей сверхвысот, соответствующих климату и контексту, использование согласованных методов проектирования в проектах, обеспечение адекватной длины перехода для комфорта водителя, координацию сверхвысоты с проектированием дренажа и обеспечение контроля качества во время строительства. Дизайнеры также должны учитывать исследование скорости работы и фактическое поведение водителя при установлении критериев проектирования, а не полагаться исключительно на установленные ограничения скорости.

Регулярный обзор и обновление стандартов проектирования помогает включать новые результаты исследований и адаптироваться к изменяющимся условиям. Транспортным агентствам следует поддерживать всеобъемлющие руководства по проектированию, которые обеспечивают четкое руководство по процедурам проектирования сверхвысоты, включая рабочие примеры и специальные процедуры. Программы подготовки инженеров-конструкторов должны подчеркивать важность надлежащего проектирования сверхвысоты и предоставлять практический опыт с методами расчета и программным обеспечением проектирования.

По мере развития транспортных систем с новыми технологиями и изменением моделей путешествий будут продолжать развиваться методы проектирования сверхвысоких скоростей. Однако фундаментальные принципы балансировки центробежных сил через дорожное банковское дело останутся центральными для безопасного и эффективного проектирования автомагистралей. Применяя обоснованные инженерные суждения, следуя установленным стандартам и учитывая условия конкретного места, дизайнеры могут создавать сверхвысокие кривые, которые будут безопасно и эффективно служить путешествующей общественности в течение десятилетий. Для дополнительных ресурсов по геометрическим стандартам проектирования посетите веб-сайт Федерального управления автомобильных дорог, который обеспечивает доступ к руководству по проектированию, исследовательским отчетам и техническим ресурсам для профессионалов транспорта.