Проектирование геометрических характеристик высокоскоростных дорог: практические соображения и расчеты

Проектирование геометрических особенностей скоростных дорог — сложная инженерная дисциплина, требующая тщательного внимания к безопасности, эксплуатационной эффективности и комфорту водителя. Геометрическое проектирование автомагистралей напрямую влияет на динамику транспортного средства, поведение водителя и общую производительность дорожного полотна. В этом комплексном руководстве исследуются фундаментальные принципы, практические соображения и подробные расчеты, необходимые для создания безопасной и эффективной высокоскоростной дорожной инфраструктуры.

Понимание основ проектирования высокоскоростных дорог

Проектирование высокоскоростных дорог включает в себя систематический подход к созданию транспортной инфраструктуры, которая позволяет транспортным средствам перемещаться с повышенными скоростями при сохранении оптимальных пределов безопасности. Геометрические особенности этих дорог должны работать в гармонии, чтобы обеспечить водителям предсказуемый, удобный и безопасный опыт путешествий. Инженеры должны сбалансировать несколько конкурирующих факторов, включая ограничения местности, экологические соображения, затраты на строительство и эксплуатационные требования.

Зеленая книга является всеобъемлющим политическим документом ААШТО, устанавливающим стандарты геометрического дизайна и руководящие принципы для автомобильных дорог и улиц всех функциональных классификаций. Этот основополагающий документ служит основным ориентиром для проектировщиков автомобильных дорог по всей территории Соединенных Штатов, предоставляя основанные на фактических данных критерии, разработанные посредством обширных исследований и полевых испытаний.

Процесс проектирования начинается с установления таких фундаментальных параметров, как скорость проектирования, проекции объема движения и функциональная классификация. Скорость проектирования должна соответствовать скорости, которую ожидает водитель. Этот принцип гарантирует, что геометрия дорожного полотна соответствует ожиданиям водителя, снижая вероятность аварий, связанных со скоростью, и улучшая общую производительность дорожного полотна.

Скорость дизайна и его ключевая роль

Скорость проектирования — это максимальная безопасная скорость, для которой предназначена дорога, служащая основой для всех геометрических элементов дизайна. Этот фундаментальный параметр влияет на каждый аспект геометрического дизайна, от горизонтальных радиусов кривой до требований расстояния до видимости. Инженеры должны выбирать скорости проектирования, которые отражают предполагаемую функцию проезжей части, окружающий контекст и ожидаемое поведение водителя.

Для высокоскоростных объектов, таких как автострады и сельские артерии, скорость проектирования обычно колеблется от 60 до 80 миль в час. Однако эта скорость проектирования не должна быть менее 50 миль в час. Выбранная скорость проектирования должна равняться или превышать установленный предел скорости, чтобы гарантировать, что все геометрические особенности обеспечивают адекватные пределы безопасности для законных рабочих скоростей.

Скорость проектирования влияет на многочисленные геометрические элементы, включая минимальные радиусы кривой, требуемые расстояния обзора, скорости супервысоты и длины вертикальных кривых. Более высокие скорости проектирования требуют более плоских горизонтальных кривых, более длинные расстояния обзора и более постепенные переходы между геометрическими элементами. Эта взаимосвязанная связь означает, что выбор скорости проектирования имеет каскадные эффекты на протяжении всего дизайна проезжей части.

Функциональная классификация и контекст

Группа отметила, что в Зеленой книге содержатся не только «традиционные» функциональные классификации для дорожных дорог, таких как местные дороги и улицы, коллекционеры, артерии и автострады, но и расширенный набор новых «контекстных» классификаций, таких как сельский, сельский город, пригородный, городской и городской центр, которые помогут лучше направлять усилия по геометрическому проектированию.

Высокоскоростные дороги обычно делятся на такие категории, как автострады, скоростные автомагистрали и сельские артерии. Каждая классификация несет в себе конкретные проектные ожидания и стандарты. Автомагистрали с их контролируемым доступом и раздельными переходами поддерживают самые высокие скорости проектирования и объемы движения. Сельские артерии могут работать на одинаково высоких скоростях, но с различными стратегиями управления доступом и геометрическими ограничениями.

Горизонтальный дизайн выравнивания

Горизонтальное выравнивание определяет путь проезжей части в горизонтальной плоскости, состоящей из касательных участков, соединенных горизонтальными кривыми.Конструкция горизонтального выравнивания существенно влияет на рабочую нагрузку водителя, устойчивость транспортного средства и общую безопасность на высоких скоростях.Правильная горизонтальная конструкция выравнивания требует тщательного рассмотрения геометрии кривой, переходных элементов и взаимосвязи между последовательными кривыми.

Горизонтальные кривые основы

Горизонтальные кривые — это кривые в горизонтальной плоскости, влияющие на безопасность и комфорт на поворотах. Эти кривые позволяют дорожным путям изменять направление при сохранении безопасных и комфортных условий эксплуатации транспортных средств. Основные типы горизонтальных кривых включают простые круговые кривые, сложные кривые и спиральные кривые перехода.

Круговые кривые позволяют изменять направление проезжей части. Минимальный радиус кривой, используемой для заданной скорости проектирования, показан в главе 3 Политики геометрического проектирования автомобильных дорог и улиц. Связь между радиусом кривой и скоростью проектирования является фундаментальной для безопасного проектирования дорожного полотна.

Законы механики, управляющие работой транспортного средства на кривых, такие как коэффициенты трения, скорость и величина сверхвысоты, помогают установить этот минимум. Когда транспортное средство пересекает горизонтальную кривую, центробежная сила действует наружу, толкая транспортное средство к внешней стороне кривой. Эта сила должна быть противодействовать комбинации дорожного сверхвысоты и трения шинного покрытия.

Минимальные радиевые расчеты

Минимальный радиус горизонтальной кривой зависит от расчетной скорости, максимальной скорости супервысоты и максимального коэффициента бокового трения. В своей фундаментальной форме формула упрощённой кривой имеет следующее значение: f = коэффициент бокового трения, V = скорость транспортного средства, mph, R = радиус кривой, ft, e = скорость супервысоты, %. Минимальный радиус для данной расчетной скорости может быть рассчитан путем замены e(max) на e, f(max) на f и расчетной скорости для V на формулу упрощённой кривой.

Основное уравнение, регулирующее конструкцию горизонтальной кривой, состоит в следующем: e + f = V2/(127R), где e представляет скорость супервысоты (десятичный), f представляет фактор бокового трения (десятичный), V представляет скорость транспортного средства в километрах в час, а R представляет радиус кривой в метрах. Эту формулу можно переставить для решения для минимального радиуса: R = V2/[127(e + f)].

Например, рассмотрим высокоскоростную проезжую часть со скоростью проектирования 110 км/ч (приблизительно 70 миль в час), максимальным сверхвысотой 0,08 (8%) и максимальным коэффициентом бокового трения 0,12. Минимальный радиус будет: R = (110)2 / [127 (0,08 + 0,12)] = 12 100 / 25,4 = 476 метров (приблизительно 1562 фута).

Инженеры обычно обеспечивают радиусы кривой больше расчетного минимума для повышения комфорта водителя и обеспечения дополнительных запасов прочности. Большие радиусы уменьшают боковое ускорение, испытываемое пассажирами транспортного средства, и уменьшают зависимость от максимальных условий трения.

Побочные факторы трения

На шоссе и на улице установлены максимально допустимые коэффициенты бокового трения для различных расчетных скоростей, как показано в EXHIBIT 8. Боковое трение представляет боковую силу, развиваемую между шинами транспортного средства и поверхностью тротуара, когда транспортные средства перемещаются по кривым. Эта сила трения работает в сочетании с супервысотой для противодействия центробежной силе.

Максимальные коэффициенты бокового трения снижаются по мере увеличения проектной скорости. При более низких скоростях (30-40 миль в час) максимальные коэффициенты бокового трения могут достигать 0,17, в то время как при более высоких скоростях (70-80 миль в час) они обычно варьируются от 0,10 до 0,12. Это снижение отражает соображения комфорта водителя и снижение доступного трения на более высоких скоростях.

Фактическое трение зависит от многочисленных факторов, включая характеристики поверхности тротуара, состояние шин, погодные условия и характеристики транспортного средства. В значениях конструкции учитываются факторы безопасности для учета менее идеальных условий, таких как влажный тротуар или изношенные шины.

Дизайн и применение Superlevation

Суперподъем представляет собой одну из наиболее важных геометрических особенностей для высокоскоростной конструкции проезжей части. Суперподъем — поперечный склон по ширине дороги, облегчающий безопасный проход транспортного средства по горизонтальной кривой. При ограждении поверхности проезжей части суперподъем помогает противодействовать центробежным силам и снижает спрос на трение шин.

Принципы и преимущества супервысокого уровня

Сверхвысота — поперечный наклон, обеспечиваемый для противодействия действию центробежной силы и снижения склонности транспортного средства к опрокидыванию и заносу с боковой стороны, посредством поднятия внешнего края тротуара относительно внутреннего края. Этот банковский эффект обеспечивает множество преимуществ для высокоскоростных операций.

Приведение транспортного средства в движение путем добавления сверхвысоты имеет два эффекта. Оно уменьшает компонент центробежной силы, действующей параллельно поверхности тротуара, и, что более важно, оно генерирует компонент веса транспортного средства, действующего в направлении, параллельном тротуару, чтобы сопротивляться и тем самым уменьшить эффект центробежной силы. Супервысота уменьшает количество бокового трения, необходимого для удержания транспортного средства на изогнутом пути, и, следовательно, уменьшает ощущение, которое водитель чувствует при толкании к внешней стороне кривой.

Правильное переподнятие повышает устойчивость транспортного средства, повышает комфорт водителя, уменьшает износ шин и минимизирует нагрузки на тротуар. Это позволяет транспортным средствам поддерживать более высокие скорости через кривые при работе в безопасных пределах трения. Без адекватного переподнятия водители должны либо значительно снизить скорость, либо полагаться на чрезмерные силы трения, которые могут быть недоступны в неблагоприятных условиях.

Максимальные ставки сверхвысокого

Максимальные скорости супервысоты варьируются в зависимости от климата, местности и контекста развития. Следовательно, максимальное значение высоты в равнинных и правящих районах и в снежных районах было установлено IRC как 6,7 процента, то есть 1 в 15. Однако для горных дорог, не связанных снегом, максимальный предел супервысоты составляет до 10 процентов, то есть 1 из 10 был рекомендован значениями IRC.

В Соединенных Штатах максимальные показатели переподъема обычно варьируются от 4% до 12%, в зависимости от местных условий. В сельских районах с минимальным количеством льда и снега могут использоваться максимальные показатели от 10% до 12%, в то время как районы с частыми условиями обледенения часто ограничивают максимальные показатели переподъема до 6% до 8%. Городские районы могут дополнительно ограничивать максимальные ставки до 4% до 6% из-за наличия медленно движущихся или остановленных транспортных средств и пешеходных соображений.

Выбор максимальной скорости переподъёма значительно влияет на минимальные радиусы кривой. Более высокие максимальные скорости переподъёма позволяют более резкие кривые для заданной скорости проектирования, потенциально снижая затраты на строительство и воздействие на окружающую среду. Однако чрезмерное переподъём может создать проблемы для медленно движущихся транспортных средств и может вызвать проблемы с дренажем.

Методология расчета супервысот

Конструкция сверхвысоты следует систематической процедуре, которая уравновешивает несколько соображений. Транспортные средства не имеют одинаковой скорости на горизонтальной кривой, поэтому в таком случае присутствует только смешанное состояние транспортного потока. Для расчета сверхвысоты в условиях смешанного транспортного потока скорость должна приниматься как 75% расчетной скорости, т.е. 0,75 В, а боковое трение "f" должно игнорироваться для безопасных условий.

Стандартная процедура проектирования включает в себя три основных этапа:

Шаг 1: Вычислить равновесие сверхвысоты

Шаг 1: Вычислить супервысоту, соответствующую 75% скорости проектирования и пренебрегая роль бокового трения. Этот подход признает, что потоки движения включают транспортные средства, движущиеся с различными скоростями. Формула равновесной супервысоты: e = V2/(225R), где V представляет 75% скорости проектирования.

Например, при проектной скорости 100 км/ч и радиусе кривой 500 метров: e = (75)2/(225 × 500) = 5 625/112 500 = 0,050 или 5,0%.

Если расчетное равновесное превышение меньше или равно максимально допустимой скорости, то это значение может быть использовано непосредственно.Если оно превышает максимальное, переходим к шагу 2.

Шаг 2: Проверьте трение спроса на скорости проектирования

Шаг 2: Предоставьте e = emaximum и найдите значение бокового трения 'f'. Если f 0,15, то зафиксируйте f = 0,15. Используя полную расчетную скорость и максимальное сверхвысоту, вычислите требуемый коэффициент трения: f = V2/(127R) - e max.

Продолжая предыдущий пример с максимальным сверхвысотой 7% (0,07): f = (100)2/(127 × 500) - 0,07 = 10 000/63 500 - 0,07 = 0,157 - 0,07 = 0,087.

Поскольку расчетный коэффициент трения (0,087) меньше максимально допустимого значения (обычно 0,15), конструкция приемлема с использованием максимального перевысоты.

Шаг 3: Проверьте совместимость со скоростью проектирования

Шаг 3: Теперь возьмите f = 0,15, e = максимальное и найдите фактическую скорость, которая будет обеспечена на шоссе. Если Vdesign Vactual, то ограничьте скорость, указав знак ограничения скорости. Эта окончательная проверка гарантирует, что комбинация сверхвысоты и максимального трения может поддерживать скорость проектирования.

Переход на супервысоту и взлет

Это расстояние, которое требуется для перехода от нулевой (плоской) супервысоты к полной супервысоте. Общая длина перехода (L) - это длина, на которой переход от нормальной короны (NC) к полной... Формула общей длины перехода находится на стандартном рисунке RD11-SE-1. Переход от нормальной короны к полной супервысоте должен происходить постепенно, чтобы избежать резких изменений, которые могут дестабилизировать транспортные средства.

Переход на супервысоту состоит из двух компонентов: тангенсного вылета и сверхвысотного вылета. Тангенсный вылет - это длина, необходимая для удаления неблагоприятного поперечного наклона (часть нормальной короны, наклоняющаяся от кривой). Сток сверхвысоты - это дополнительная длина, необходимая для достижения полного перевылета от поперечного сечения уровня.

Для простой кривой половина длины перехода до и половина после P.C. или P.T. Для спиральной кривой L такая же, как длина спирали.При использовании кривых спирального перехода переход супервысоты обычно происходит вдоль длины спирали, обеспечивая скоординированное изменение как горизонтальной кривизны, так и поперечного наклона.

Скорость изменения высоты влияет на комфорт водителя и стабильность транспортного средства. Чрезмерно быстрые переходы могут вызвать трудности с рулевым управлением и дискомфорт пассажира. Стандарты проектирования определяют максимальные скорости изменения, обычно выражаемые как максимальный относительный градиент между центральной линией дороги и краем.

Методы достижения сверхвысокого

Для перехода от нормальной кроны к полной супервысоте существуют два основных метода: вращение вокруг центральной линии и вращение вокруг внутреннего края. Как показано на рисунке выше, внутренний край дороги делается точкой поворота. А крона, как и внешний край, подняты таким образом, что достигается полное количество супервысоты.

Вращение по центру является наиболее распространенным методом для разделенных шоссе и проезжей части с узкими медианами. Такой подход поддерживает высоту профиля по центру при одновременном поднятии внешнего края и опускании внутреннего края. Метод минимизирует земляные работы и поддерживает последовательное вертикальное выравнивание для центральной линии дороги.

Центр тротуара приподнят. Вся ширина тротуара и наружное плечо должны быть приподняты по отношению к внутреннему краю путем дополнительного заполнения земли. Вместо вышеупомянутых двух недостатков этот метод является предпочтительным, поскольку он не предполагает каких-либо проблем с дренажем. Вращение по внутреннему краю требует большего объема земляных работ, но может упростить конструкцию дренажа, поддерживая положительный дренаж по всей ширине тротуара на протяжении всего перехода.

Кривые перехода и спиральный дизайн

Кривые перехода, как правило, спирали, обеспечивают постепенное изменение кривизны между касательными секциями и круговыми кривыми. Эти элементы повышают комфорт водителя и стабильность транспортного средства, позволяя регулировкам рулевого управления происходить постепенно, а не резко.

Цель и преимущества спиральных кривых

Кривые спирального перехода выполняют несколько важных функций в высокоскоростной конструкции проезжей части. Они обеспечивают естественный путь для водителей, чтобы следовать при входе или выходе из круговых кривых, соответствующих поведению рулевого управления, естественно, используют водители. Постепенно меняющийся радиус спирали позволяет центробежной силы постепенно увеличиваться, уменьшая дискомфорт пассажиров и нестабильность транспортного средства.

Спирали также обеспечивают идеальную длину, по которой можно переходить на супервысоту. Скоординированное изменение кривизны и поперечного наклона создает сбалансированную конструкцию, при которой скорость супервысоты соответствует радиусу кривой в каждой точке по спирали. Эта координация минимизирует колебания трения и повышает общую безопасность.

Для высокоскоростных объектов всё большее значение приобретают спиральные переходы. При проектных скоростях выше 50 миль в час спирали обычно рекомендуются для всех, кроме самых плоских кривых. Длина спирали увеличивается с проектной скоростью и уменьшается с радиусом кривой, отражая необходимость более постепенных переходов на более высоких скоростях и более резких кривых.

Спиральная кривая геометрия

Наиболее часто используемой спиралью в конструкции шоссе является клотоидная или спиральная Эйлера. Эта кривая имеет свойство, что кривизна увеличивается линейно с расстоянием по спирали. Радиус в любой точке по спирали обратно пропорционален расстоянию от начала спирали.

Ключевые параметры спирали включают длину спирали (Ls), радиус круговой кривой (R) и угол спирали (θs). Длина спирали должна быть достаточной для размещения перехода на супервысоту и обеспечения комфортной динамики рулевого управления. Минимальные длины спирали обычно указываются на основе расчетной скорости и изменения скорости супервысоты.

Связь между длиной спирали и радиусом часто выражается через спиральный параметр A, где A2 = R × Ls. Этот параметр помогает обеспечить согласованную спиральную геометрию по разным радиусам кривой. Более крупные спиральные параметры указывают на более постепенные переходы, подходящие для более высокоскоростных объектов.

Требования к расстояниям для зрения

Расстояние видимости — это расстояние, которое водитель может видеть впереди, критическое для безопасной работы. Адекватное расстояние видимости позволяет водителям воспринимать и реагировать на условия дорожного движения, другие транспортные средства и потенциальные опасности. Высокоскоростные дороги требуют значительно больших расстояний видимости, чем низкоскоростные объекты из-за увеличенных расстояний остановки и сокращения доступного времени реакции.

Виды расстояния зрения

Расстояние видимости — это длина шоссе, которая видна впереди водителя. В конструкции шоссе есть четыре типа расстояния видимости. К ним относятся расстояние остановки, расстояние принятия решения, расстояние прохождения видимости и расстояние пересечения видимости. Каждый тип служит определенной цели в конструкции проезжей части.

Расстояние остановки прицела (SSD) представляет собой наиболее фундаментальное требование. Это расстояние, необходимое водителю для восприятия объекта на проезжей части, реагирования путем применения тормозов и доведения транспортного средства до полной остановки до достижения объекта. SSD зависит от скорости проектирования, времени восприятия-реакции водителя (обычно 2,5 секунды), возможности торможения транспортного средства и степени проезжей части.

Формула остановки расстояния до точки обзора: SSD = 0,278 Вт + V2/(254(f ± G)), где V — расчетная скорость в км/ч, t — время реакции восприятия в секундах, f — коэффициент трения для торможения, а G — класс проезжей части (положительный для апгрейдов, отрицательный для понижений).

Для расчетной скорости 110 км/ч на ровной местности со стандартными предположениями (t = 2,5 секунды, f = 0,35): SSD = 0,278(110)(2,5) + (110)2/(254 × 0,35) = 76,5 + 136,1 = 212,6 метра (примерно 698 футов).

Расстояние прицела принятия решения обеспечивает дополнительную длину за пределами расстояния остановки прицела для сложных ситуаций принятия решений. Эти места включают развязки, основные перекрестки и области со сложной визуальной информацией. Расстояние прицела принятия решения может быть в 1,5-2,5 раза больше, чем расстояние прицеливания при остановке, в зависимости от сложности требуемого решения.

Расстояние зрения по горизонтальным кривым

Горизонтальные кривые могут ограничивать расстояние до обзора, когда такие объекты, как наклоны, здания или растительность, препятствуют линии обзора водителя к внутренней части кривой. Требуемое горизонтальное смещение линии обзора (HSO) зависит от радиуса кривой, требования к дальности обзора и расположения препятствий.

Для заданного радиуса кривой R и требуемого расстояния видимости S можно рассчитать среднее расстояние по ординате M (перпендикулярное расстояние от кривой до аккорда). Это расстояние представляет собой минимальный зазор, необходимый от центральной линии внутренней полосы для обеспечения адекватного расстояния видимости.

Формула для средней ординаты: M = R(1 - cos(28.65S/R)), где S - необходимое расстояние обзора и R - радиус кривой, оба в одних и тех же единицах. Для больших расстояний обзора относительно радиуса кривой упрощенное приближение: M ≈ S2/(8R).

Для поддержания адекватного расстояния обзора на горизонтальных кривых может потребоваться сглаживание радиусов кривой обзора, очистка растительности или корректировка конфигураций наклона среза. Стоимость обеспечения достаточного расстояния обзора должна быть сбалансирована с преимуществами безопасности, хотя расстояние обзора никогда не должно быть скомпрометировано ниже минимального расстояния остановки обзора.

Расстояние зрения на вертикальных кривых

Вертикальные кривые представляют собой кривые в вертикальной плоскости, влияющие на безопасность и комфорт на градусах. Вертикальные кривые соединяют градусы дорожного полотна и должны быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечить достаточное расстояние обзора по кривым гребня и достаточное расстояние освещения фар на провисших кривых.

Для кривых кривых кривых вертикали гребня требуемая длина кривой зависит от алгебраической разницы в классах (A) и требуемого расстояния обзора (S). Когда расстояние обзора меньше длины кривой (S < L), формула: L = AS2/(200(h1^0.5 + h2^0.5)2), где h1 - высота глаза водителя (обычно 1,08 метра или 3,5 фута) и h2 - высота объекта (обычно 0,60 метра или 2,0 фута).

Для остановки расстояния до точки зрения со стандартной высотой глаз и объекта это упрощает: L = AS2/658 (при использовании метрических единиц с S в метрах) или L = AS2/2,158 (при использовании обычных единиц США с S в футах).

Вертикальные кривые саг должны обеспечивать достаточное расстояние обзора для ночных условий, когда фары транспортного средства освещают проезжую часть. Требуемая длина кривых для провисающих кривых обычно меньше, чем для кривых гребней аналогичного изменения класса, но конструкция может регулироваться соображениями дренажа и комфорта водителя.

Соображения вертикального выравнивания

Степень - это наклон дороги, влияющий на безопасность, комфорт и производительность транспортного средства. Вертикальная конструкция выравнивания включает в себя выбор соответствующих марок и соединение их с вертикальными кривыми, которые обеспечивают адекватное расстояние до обзора и комфорт водителя.

Максимальные и минимальные оценки

Максимальные оценки для высокоскоростных объектов зависят от скорости проектирования, рельефа местности и функциональной классификации. Автомагистрали и скоростные автомагистрали обычно ограничивают максимальные оценки до 3% - 5% в уровне и прокатной местности, с более крутыми оценками (до 6% или 7%), разрешенными в горной местности. Эти относительно плоские оценки помогают поддерживать согласованные скорости транспортных средств и минимизировать разницу в скорости между легковыми автомобилями и тяжелыми грузовиками.

Минимальные оценки - это, прежде всего, дренажные соображения. На обустроенных дорожных полотнах для обеспечения положительного дренажа обычно требуется минимальный уровень 0,5%. На необустроенных дорожных полотнах с адекватным поперечным уклоном профильный уровень может быть равен (0%), поскольку поперечный склон обеспечивает дренаж. Однако часто предпочтительным является уровень не менее 0,3% для обеспечения положительного дренажа даже при незначительных изменениях конструкции.

На высокоскоростных объектах следует свести к минимуму разрывы (изменения в классе). Частые изменения в классе увеличивают рабочую нагрузку водителя и могут создавать ограничения на расстояние до видимости. При необходимости изменения класса должны быть предусмотрены вертикальные кривые для обеспечения плавных переходов и адекватного расстояния до обзора.

Критическая длина класса

Длительные устойчивые оценки могут значительно снизить скорость грузовиков, создавая разницу в скорости между легковыми и тяжелыми транспортными средствами. Когда оценки превышают определенные пороговые значения для больших расстояний, для поддержания транспортного потока и безопасности могут быть оправданы полосы подъема.

Критическая длина класса - максимальная длина назначенного обновления, на котором загруженный грузовик может работать без необоснованного снижения скорости. Эта длина варьируется с крутизной класса и скоростью ввода грузовиков. Например, 3% класс может иметь критическую длину 1500 метров, в то время как 5% класс может иметь критическую длину только 500 метров.

Когда классы превышают критическую длину, проектировщики должны рассмотреть вопрос о предоставлении полос для подъема для медленно движущихся транспортных средств.Эти вспомогательные полосы позволяют более быстрым транспортным средствам проезжать грузовики без входа в полосу движения, повышая безопасность и поддерживая эффективность транспортного потока.

Координация горизонтального и вертикального выравнивания

Связь между горизонтальным и вертикальным выравниванием значительно влияет на эстетику дорожного движения, комфорт водителя и безопасность. Плохая координация может создать неожиданные ограничения расстояния до видимости, неудобную динамику вождения и повышенный риск аварии.

Принципы общей координации

Горизонтальные и вертикальные выравнивания должны быть скоординированы для обеспечения последовательной, предсказуемой проезжей части, которая кажется естественной в ландшафте. Острые горизонтальные кривые не должны быть размещены на гребне вертикальных кривых или вблизи него, поскольку эта комбинация ограничивает расстояние до видимости и создает неожиданное условие для водителей. Аналогично, резкие горизонтальные кривые следует избегать в провисших вертикальных кривых, где дренаж может быть проблематичным.

Длинные касательные секции в горизонтальном выравнивании должны быть разбиты с нежными вертикальными кривыми, а не с резкими скачками. Эта координация создает более эстетичный приятный проезжую часть и снижает усталость водителя. И наоборот, длинные касательные секции в вертикальном выравнивании должны включать нежные горизонтальные кривые для поддержания внимания водителя и обеспечения визуального интереса.

Горизонтальные кривые должны быть, как правило, длиннее вертикальных кривых, чтобы избежать появления изгибов или кривых с разбитой спиной.Когда вертикальные и горизонтальные кривые перекрываются, они должны иметь сходные длины, а их точки кривизны должны быть скоординированы для создания плавного, плавного выравнивания.

Трехмерный дизайн выравнивания

Современный дизайн проезжей части все чаще использует трехмерные инструменты визуализации для оценки координации выравнивания.Эти инструменты позволяют дизайнерам моделировать вид водителя на проезжую часть, выявляя потенциальные ограничения расстояния до видимости, путая визуальные сигналы или неудобные геометрические комбинации перед строительством.

Трехмерный дизайн рассматривает проезжую часть как кривую пространства, а не отдельные горизонтальные и вертикальные выравнивания. Такой подход позволяет оптимизировать земляные работы, улучшить дизайн дренажа и повысить эстетическое качество. Программное обеспечение для проектирования с помощью компьютера может генерировать перспективные виды, сквозное моделирование и количественные показатели качества выравнивания.

Межсекторальные элементы дизайна

Поперечное сечение проезжей части охватывает все элементы, перпендикулярные центральной линии проезжей части, включая дорожные полосы, плечи, медианы и боковые склоны.Правильная конструкция поперечного сечения имеет важное значение для размещения объемов движения, обеспечения зон восстановления для аварийных транспортных средств и управления дренажом.

Lane Width Размышления

Ширина полосы движения - это ширина полосы движения, влияющая на пропускную способность, безопасность и комфорт. Высокоскоростные объекты обычно используют 12-футовую (3,6-метровую) ширину полосы для обеспечения адекватного бокового зазора для крупных транспортных средств и повышения комфорта водителя на высоких скоростях. Более узкие полосы могут быть приемлемыми на объектах с более низкой скоростью или в ограниченных городских условиях, но ширина полосы ниже 11 футов, как правило, не рекомендуется для высокоскоростных дорог.

Более широкие полосы обеспечивают несколько преимуществ, включая увеличение пропускной способности, снижение скорости крушения и повышение комфорта водителя. Однако чрезмерно широкие полосы могут стимулировать более высокие скорости и могут увеличить затраты на строительство и техническое обслуживание. Выбор ширины полосы должен учитывать состав движения, скорость проектирования и наличие смежных стационарных объектов.

Плечо дизайн

Ширина плеча — это ширина плеча, обеспечивающая запас прочности и зону аварийной остановки.Плечи выполняют множество критических функций, включая предоставление места для автомобилей с ограниченными возможностями, доступ к аварийному транспортному средству, боковой зазор от неподвижных объектов и конструктивную поддержку края тротуара.

Для высокоскоростных объектов обычно требуется от 8 до 12 футов (2,4 до 3,6 метра) с правой стороны и от 4 до 10 футов (1.2 до 3,0 метра) с левой стороны разделенных дорог. Более широкие плечи коррелируют с уменьшением аварийности и улучшением транспортных операций. Мощеные плечи необходимы для высокоскоростных объектов для обеспечения стабильных поверхностей для аварийных остановок и для поддержки конструкции тротуара.

Если бордюры используются на высокоскоростных сельских автомагистралях, то они должны быть расположены за пределами края пригодного для использования плеча. Рекомендуется, чтобы бордюры, используемые вдоль наружного края пригодного для использования плеча высокоскоростного объекта, были монтажного типа и были ограничены высотой 4 дюйма. В этом руководстве признается, что бордюры могут создавать опасность для непостоянных транспортных средств на высоких скоростях.

Медиа Дизайн

Медианные зоны - это область между противоположными направлениями движения, обеспечивающая разделение и безопасность. Медианные зоны на высокоскоростных объектах служат для разделения противостоящих транспортных потоков, обеспечивают пространство для восстановления для ошибочных транспортных средств, создают пространство для будущего расширения и размещения дренажных сооружений и устройств управления движением.

Средняя ширина широко варьируется в зависимости от функциональной классификации, доступности справа и соображений безопасности. Узкие медианы (4-10 футов) могут использоваться в ограниченных местах, но обычно требуют средних барьеров. Широкие медианы (40-80 футов или более) обеспечивают существенное пространство для разделения и восстановления без барьеров, хотя они требуют большего права пути и могут увеличить затраты на строительство.

Медианные барьеры обычно могут использоваться в высокоскоростных приложениях для решения проблемы разделения трафика и канализации. Выбор барьера зависит от средней ширины, объемов трафика и скоростей, а также истории аварий. Бетонные барьеры, кабельные барьеры и системы защиты луча предлагают различные эксплуатационные характеристики с точки зрения требований к сдерживанию, отклонению и обслуживанию.

Стандарты проектирования и гибкость

Раздел 23 USC 109 предусматривает, что стандарты проектирования для проектов по Национальной системе автомобильных дорог (NHS) должны быть одобрены секретарем Министерства транспорта США в сотрудничестве с государственными департаментами автомобильных дорог. Государственные департаменты автомобильных дорог, работающие через Американскую ассоциацию государственных должностных лиц автомобильных дорог и транспорта (AASHTO), разрабатывают стандарты проектирования через ряд комитетов и целевых групп.

AASHTO Green Book Framework

AASHTO заявила, что последнее издание «Зеленой книги» представляет обновленную структуру геометрического дизайна, которая является более гибкой, мультимодальной и ориентированной на производительность, чем в прошлом, - предоставляя руководство инженерам и дизайнерам, которые стремятся создавать уникальные дизайнерские решения, которые отвечают потребностям всех пользователей шоссе и улиц на основе проекта за проектом.

В рамках подхода, основанного на результатах, особое внимание уделяется достижению желаемых результатов в области безопасности и эксплуатации, а не просто соблюдению предписывающих стандартов. Кроме того, для целей определения критериев геометрического дизайна при применении Зеленой книги 2018 года проекты по замене полного покрытия, которые сохраняют существующие геометрические характеристики, не считаются «изменением основного типа дороги». Зеленая книга 2018 года отдает предпочтение подходу, основанному на результатах, для рассмотрения последствий решений, касающихся геометрических конструкций. В рамках подхода, основанного на результатах проектирования, объем геометрических улучшений для проектов на существующих дорогах, которые сохраняют существующий базовый тип дороги, должен определяться прошлой безопасностью и эксплуатационными характеристиками и прогнозируемыми будущими характеристиками для всех видов транспорта.

Исключения и гибкость дизайна

Критические элементы конструкции, не соответствующие стандартам AASHTO, потребуют утвержденного исключения из правил проектирования. Этими критическими элементами конструкции являются скорость проектирования, ширина полосы движения, ширина плеча, ширина моста, конструктивная емкость, вертикальный клиренс, горизонтальное выравнивание, вертикальное выравнивание, расстояние остановки прицела, перекрестный уклон, сверхвысота, срок службы и оценки конструкции.

Исключения в отношении конструкции обеспечивают формальный процесс документирования ситуаций, когда соблюдение стандартных критериев не представляется возможным или экономически эффективным. Процесс исключения требует документирования проектного решения, рассмотрения альтернатив и оценки воздействия на безопасность и эксплуатацию. Этот процесс обеспечивает тщательное рассмотрение и обоснование отклонений от стандартов, а не произвольное их принятие.

Недавние национальные исследования позволили лучше понять взаимосвязь между геометрическими особенностями конструкции и частотой и тяжестью аварий. Таким образом, для повышения эффективности разработки проектов RRR на существующих автострадах это окончательное правило позволяет государственным DOT принимать процедуры или критерии проектирования, утвержденные FHWA, которые позволяют государству осуществлять проекты RRR на автострадах, включая автомагистрали между штатами, без использования исключений по дизайну, если процедуры или критерии RRR соблюдаются.

Практические дизайнерские соображения

Помимо технических расчетов и стандартов, успешная конструкция высокоскоростных дорог требует учета практических факторов, включая конструктивность, ремонтопригодность, воздействие на окружающую среду и экономическую эффективность.

Земля и земляные работы

Характеристики местности существенно влияют на геометрические проектные решения. Уровень местности позволяет относительно неограниченно горизонтально и вертикально выравнивать, позволяя проектировщикам соответствовать или превышать стандарты проектирования с минимальными земляными работами. Передвижная местность вводит умеренные ограничения, требующие балансировки объемов разреза и заполнения при сохранении приемлемых марок и радиусов кривой. Горная местность представляет собой серьезные ограничения, часто требующие исключений в дизайне и тщательной оптимизации выравнивания для минимизации затрат на земляные работы.

Современная практика проектирования подчеркивает балансировку объемов вырубки и заполнения для минимизации расстояний на перевозке и затрат на удаление. Трехмерное программное обеспечение для проектирования позволяет точно рассчитать количества земляных работ и оптимизировать вертикальное выравнивание для достижения сбалансированного земляных работ. Экологические соображения могут ограничивать места захоронения или требовать специальной обработки выкопанных материалов, что еще больше усложняет планирование земляных работ.

Интеграция дренажа

Конструкция дренажа должна быть полностью интегрирована с геометрической конструкцией для обеспечения долгосрочной эффективности и безопасности дорожного покрытия. Сорта дорог и перекрестные склоны должны обеспечивать положительный дренаж для предотвращения обводнения, что может привести к гидропланированию и ускоренному ухудшению состояния тротуара. Вертикальные кривые должны быть спроектированы таким образом, чтобы избежать создания низких точек дренажа в нежелательных местах.

Пересечение верхнего уровня создает особые проблемы с дренажом, поскольку участки проезжей части могут временно иметь неблагоприятные поперечные склоны или плоские секции.Дизайнеры должны тщательно оценивать эти места, чтобы обеспечить адекватный дренаж посредством тщательной конструкции класса, дополнительных входов или измененных длин переходов.

Экологическая и контекстная чувствительность

Современный дизайн дорог все больше подчеркивает экологическое управление и контекстно-чувствительные решения. Выбор выравнивания должен минимизировать воздействие на водно-болотные угодья, ручьи, исторические свойства и другие чувствительные ресурсы. Геометрические проектные решения влияют на дорожный след и, следовательно, степень воздействия на окружающую среду.

Плоские горизонтальные кривые и более длинные расстояния обзора требуют более широких четких зон и могут увеличить требования к прямому пути и воздействие на окружающую среду. Проектировщики должны сбалансировать безопасность и эксплуатационные преимущества с экологическими издержками, ища решения, которые отвечают целям проекта, минимизируя неблагоприятные воздействия.

Новые технологии и будущие направления

Достижения в области технологий транспортных средств и систем управления движением начинают оказывать влияние на практику геометрического проектирования. Подключенные и автоматизированные транспортные средства могут в конечном итоге обеспечить сокращение расстояния между транспортными средствами, более узкие полосы движения или измененные требования к дальности видимости. Однако нынешняя практика проектирования должна учитывать существующий парк транспортных средств и численность водителей в обозримом будущем.

Интеллектуальная интеграция транспортных систем

Интеллектуальные транспортные системы (ИТС) могут повысить производительность геометрического дизайна, предоставляя информацию в режиме реального времени водителям, управляя потоком трафика и реагируя на инциденты. Переменные ограничения скорости могут регулировать рабочие скорости в соответствии с условиями, потенциально позволяя более агрессивное геометрическое проектирование в некоторых ситуациях. Однако геометрический дизайн не должен полагаться на работу ИТС, поскольку эти системы не всегда могут функционировать так, как предполагалось.

Дизайн для всех пользователей

Современная практика проектирования все чаще признает необходимость размещения всех участников дорожного движения, а не только автотранспортных средств. В то время как высокоскоростные дороги в основном обслуживают моторизованное движение, в некоторых контекстах могут быть уместны положения для пешеходов, велосипедистов и транзита. Полные принципы улиц поощряют учет всех пользователей в процессе проектирования, хотя применение этих принципов варьируется в зависимости от функциональной классификации и контекста.

Контроль качества и обзор дизайна

Для обеспечения качества конструкции требуются систематические процессы обзора и меры контроля качества. Для проверки точности расчеты конструкции должны проверяться независимо. Трехмерные модели должны пересматриваться для координации между горизонтальным и вертикальным выравниванием, адекватным расстоянием обзора и соответствующими переходами сверхвысоты.

Экспертный обзор опытных проектировщиков может выявить потенциальные проблемы и предложить улучшения до начала строительства. Обзоры конструктивности с участием подрядчиков и инженеров-строителей могут выявить практические проблемы и возможности для экономии затрат. Исследования в области ценностного проектирования могут выявить альтернативные подходы, которые обеспечивают эквивалентную или превосходную производительность при более низких затратах.

Заключение

Проектирование геометрических характеристик высокоскоростных дорог требует всестороннего понимания динамики транспортных средств, поведения водителя, стандартов проектирования и практических ограничений.Фундаментальные элементы - горизонтальные кривые, сверхвысота, расстояние до видимости и вертикальное выравнивание - должны работать вместе, чтобы создать безопасные, эффективные и удобные дороги.

Успех зависит от тщательного применения установленных принципов проектирования, тщательного анализа условий конкретного участка и тщательного рассмотрения компромиссов между конкурирующими целями.В то время как стандарты проектирования обеспечивают существенное руководство, профессиональное суждение остается критически важным при адаптации общих принципов к конкретным ситуациям.

По мере развития транспортных технологий и изменения социальных приоритетов практика геометрического дизайна будет продолжать адаптироваться. Однако фундаментальная физика, регулирующая движение транспортных средств, и основные принципы безопасного проектирования дорог останутся актуальными. Инженеры должны оставаться в курсе меняющихся стандартов и исследований, сохраняя при этом акцент на основной цели: создание дорог, которые будут безопасно и эффективно служить пользователям на десятилетия вперед.

Для получения дополнительной информации о стандартах геометрического дизайна и передовой практике, проконсультируйтесь с политикой AASHTO по геометрическому дизайну автомобильных дорог и улиц и Федеральное управление автомобильных дорог ресурсы. Профессиональное развитие через такие организации, как Американская ассоциация государственных должностных лиц автомобильных дорог и транспорта и программы непрерывного образования помогает дизайнерам оставаться в курсе развивающейся практики. FHWA Управление безопасности предоставляет ценные исследования и рекомендации по вопросам безопасности, связанным с геометрическим дизайном, в то время как Совет по исследованиям в области транспорта публикует передовые исследования по всем аспектам проектирования и эксплуатации автомобильных дорог.