冰雪条件下城市快速路线形设计优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于冰雪环境城市快速路设计领域，尤其是涉及一种冰雪条件下城市快速 路线形设计优化方法。
【背景技术】
[0002] 冰雪不仅使快速路路面附着系数减小，导致汽车动力性能的下降，使汽车发生打 滑和侧滑的概率增加，而且使车辆的停车视距的增加，使车辆追尾、失控的可能性和危险性 增大，严重威胁着快速路交通的安全性，极大削弱了寒冷地区城市快速路的通行能力，对快 速路交通安全以及运行效率造成严重影响。冰雪作为严重影响城市快速路通行能力的重要 因素，早期国内针对其的研究却主要集中于牧区雪灾风险指标体系和预警模型的研究，研 究面局限性比较大。
[0003] 根据冰雪对道路的影响程度的不同，可以将冰雪路面划分为以下三个层次：积雪 路面、冰膜路面、冰板路面。积雪路面是指路面上有积雪；冰膜路面是指路面被压实雪面所 覆盖；冰板路面是指路面被已融雪水形成的冰面。为了减小冰雪路面对快速路交通运行的 干扰，可以通过调整快速路不同冰雪条件下的最大坡道长度、限制坡度，规范最小圆曲线半 径以及最大超高率等几何参数来减少冰雪环境带来的影响。
[0004] 合理地确定上述参数是解决冰雪路面对快速路影响的关键，从目前的研究情况来 看，尚没有人针对以上参数的确定提出相应的算法和理论研究，实际工程中的也并没有相 关的渠化设计方法。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明旨在提出一种冰雪条件下城市快速路线形设计优化方法，以提 供一套规范冰雪地区城市快速路的设计参数优化方法和模型的搭建。
[0006] 为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
[0007] -种冰雪条件下城市快速路线形设计优化方法，包括如下参数的优化：
[0008] 1)冰雪条件下最大坡长参数的优化模型：
[0009] 首先，冰雪条件下的停车视距L的计算公式见如下
[0011] 式中：L。为反应距离，t = 2. 5s (判断时间I. 5s，运行时间Is) ;Lz为制动距离；L i 为安全距离；Φ为道路摩擦系数，分为冰雪条件下积雪、雪板以及冰膜条件下的摩擦系数； f为道路滚动阻力系数；i为道路纵坡坡度；
[0012] 再利用冰雪条件下的停车视距与速度和坡度之间的关系对坡长限制参数进行折 减计算，折减关系见如下公式，
[0013] CN 105117546 A f儿 ^ Ij 贝
[0014] 式中=Lwt是冰雪条件下的停车视距；是正常条件下的停车视距；S I9是冰雪 条件下的坡长；是正常条件下最大坡长；
[0015] 最终求得冰雪条件下最大坡长限制参数Swt;
[0016] 2)冰雪条件下最大坡度参数的优化模型：
[0017] 在冰雪环境路面条件下，在摩擦牵引条件下可得到动力因数最大值的计算公式如 下，
[0019] 式中= ^jmax为摩擦牵引条件下的动力因数；Z为车辆对地面的正压力；*为道 路摩擦系数；Ga为车辆总重；
[0020] 在冰雪路面条件下，车辆的最大爬坡能力主要取决于~_当坡度角3不大时，可 视(X)J = 0，则Z = Gs，6_为驱动轮荷载；载重车约为0. 66~0. 76G，小汽车约为0. 57~ 0. 65G，*为附着系数；可将上述公式（3)转化为：
[0022] 由上式（4)可计算出各类车辆在冰雪路面上以不同速度V行驶时的最大动力因数 ^??nax .
[0023] 正常天气下，汽车能克服的坡度大小为i = D_-f ;所以，冰雪条件下车辆最大爬 坡能力I模型为：
[0025] 由上式可得到在不同车速、不同路面，以及附着系数条件下的快速路最大纵坡坡 度；
[0026] 3)冰雪条件下圆曲线极限最小半径：
[0027] 汽车在横向滑移极限平衡状态下圆曲线极限最小半径公式如下，
[0029] 式中：V为各级快速路的设计速度；μ max为最大横向力系数；imax为圆曲线的最大 超高横坡度。
[0030] 进一步的，在2)中，根据汽车的发动机的性能，可以将动力因数D转换为速度V的 二次函数如下，
[0031] 动力因数
[0032] 式中，P、Q、W为汽车的性能参数，计算如下：
[0036] 式中，U为负荷率;Mmax为发动机最大扭矩；Mn最大功率下的扭矩；η M最大扭矩对 应的转速；nN-最大功率对应的转速；其中γ为总变速比，
[0037] γ = i〇 · ik (11)
[0038] 式中：i。主传动器减速比率，i k为变速箱变速比；
[0039] 由上述式子可得不同档位下的动力特征参数D，基于建立的冰雪条件下机动车的 最大爬坡性能模型公式（5)得到在不同车速、不同路面，以及附着系数条件下的快速路最 大纵坡坡度。
[0040] 进一步的，所述横向力系数μ max可按汽车行驶稳定性确定μ max值，或者按行车 舒适性确定μ max值，或者按燃料和轮胎消耗确定μ max值。
[0041] 相对于现有技术，本发明具有以下优势：
[0042] 对冰雪天气条件下道路设计中纵坡坡长、坡度各项限制指标参数的优化研究，提 出在冰雪条件下城市快速路的最大纵坡、最大纵坡坡长设计指标取值以及最小停车视距的 建议参考值，规范圆曲线最小极限半径以及最大超高率等几何参数；为冰雪地区快速路设 计者提供更加详细的几何指标的取值参考，对促进北方冰雪安全生产、经济发展具有十分 重要的现实意义。
【附图说明】 构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的 示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图 中： 图1为本发明创造实施例黄河牌载重汽车速度一动力因数图； 图2为本发明创造实施例桑塔纳汽车速度一动力因数图。
【具体实施方式】
[0043] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相 互组合。
[0044] 北方大部分地区因为冬季受到降雪、积雪、结冰的影响，其城市道路交通系统受到 很大影响，严重时，冰雪甚至阻断整个城市交通，较正常条件下，交通事故发生更加频繁；冰 雪路面附着系数减小，这制约了汽车的行驶状态，从而导致汽车性能很难充分发挥，因此， 有必要研究冰雪条件下城市快速路纵坡路段的设计指标，并提出相应的设计指标建议值， 为多冰雪地区的城市快速路线形设计提供参考。这一理论体系能够弥补冰雪条件下城市快 速路建设所需必要参数领域的空白，为城市快速路修建过程中的参数选取提供强有力的支 持。
[0045] 下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
[0046] 冰雪条件下城市快速路线形设计优化方法，包括优化如下参数：
[0047] 参数1)冰雪条件下最长坡长参数的优化模型
[0048] 根据城市快速路设计规程（CJJ 129-2009)表6. 3. 3-2,快速路不同纵坡条件下的 最大纵坡长度由如下表1-I规定：
[0049] 表 1-1
[0051] 本方法是在规程的基础上考虑对现有规范进行修正，故折减均在此基础上进行。
[0052] 现有技术中，最长坡长参数的确定方法有基于服务水平、速度差、以及心率增长率 方法的，上述方法可行性较差，心率增长率本身就是一个比较难测得参数并且冰雪条件 下，心率如何变也无法获取准确数据，另外，心率增长率的方法计算出来的坡长与规范值差 别很大，无法为实际改善规范坡长规定做一个比较合理与可靠的参考。
[0053] 坡长和停车视距都是i和V的函数，两者之间存在很密切的联系，基于这一点本发 明利用冰雪条件下的停车视距与速度和坡度之间的关系对规范表的坡长限制进行折减是 合理的。
[0054] 《城市快速路设计规程》C