河北工业大学-基于节地的互通立交桥匝道圆曲线半径的研究.doc
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基于节地的互通立交桥匝道圆曲线半径的研究
设计者：
乔婧，吴艳霞，张楠，刘春梅
指导教师：
乔建刚，崔红军，温影影
（河北工业大学土木工程学院天津300401）
摘要：
互通式立交作为高速公路的重要组成部分，不仅是高速公路网中的枢纽和结点，也是各级路网的重要衔接之处；它起着转换交通流量、梳理和控制车流的作用。
目前互通立交占用土地多，对土地资源浪费严重。
故以节约使用土地为根本目的，在保证道路通行能力及行车安全的前提下，应用交通工程学、心理学、计算机科学等理论，通过驾驶模拟舱室内仿真得出驾驶员心生理反应的紧张度阈值，并采用MC5600交通数据采集仪、动态驾驶员心生理测试仪等设备，对行驶在辽宁、湖北等省高速公路的68座立交桥上的小型车及其驾驶员进行实地检测车辆在道路上的运行速度和驾驶员的心生理反应，通过分析特征点速度值和驾驶员心生理反应规律，构建了基于驾驶员紧张度的圆曲线半径数学模型，从速度一致性和驾驶员紧张度角度提出了节地的匝道圆曲线半径建议值，使高速公路互通立交的设计适合节约型公路的理念，确保公路的几何设计质量，提高了公路的建设和运营效益。
关键词：
速度一致性；紧张度；半径；互通立交桥；节地
0.引言
我国人口众多，人均可耕地数量较少，据国土资源部公布的数据，从1996年到2007年，全国耕地减少1亿多亩[1]，同时，大量土地被粗放利用，交通量的迅猛增长与可耕地逐步减少之间的矛盾显得越来越突出。
时代的发展对高速公路设计提出了更高的要求，而作为高速公路的重要组成部分和高速公路网中的枢纽和结点的互通立交桥的工程规模远比一般立交要大，占用土地多，工程规模大，对土地资源浪费严重。
且在影响互通立交桥用地的众多因素中，匝道的线形指标是最重要的因素之一[2]。
在同一立交桥方案情况下，基本决定了立交桥占地的多少和拆迁量的大小。
且互通式立交桥布局规划合理与否对高速公路占地、高速公路网络效益的发挥、出入口畅通和行车安全的保证、路网流量的平衡、各级路网的衔接、路网总体运输效率的提高等具有重大影响[3]。
2005年交通部规划研究院的杨智生提出了互通立交桥匝道布设节地的理念，寻求节地的平面布置形式及线形组合[4]；2006年河北交通规划院的雷伟认为匝道内设计速度的选取较为单一，对于较长的匝道或端部速度与匝道内速度差较大时，采用单一速度设计不妥[5]；2004年郑柯、任福田等人在高速公路路段上正常交通流条件下进行了行车试验，通过对试验数据深入的分析，建立了自由流下在高速公路平曲线上行车时，车速、半径和心率增量之间的回归模型[6]。
国外对技术指标方面的研究做的较多，但主要研究的是立交线形与运营安全的关系。
2005年JBonneson等以大量的事故数据为基础，综合考虑匝道和匝道几何设计参数等的关系，建立了互通立交匝道和变速车道事故预测模型[7]；美国联邦公路管理局在《公路灵活性设计指南》中倡导灵活设计和宽容设计的设计理念，并在2000年提出“综合最优化设计”，即在保证行车安全的前提下，最小限度地影响道路周围的环境和生态[8]。
国内外学者对互通立交桥匝道线形设计方面的研究不少，但很不充分，大多集中在理论研究方面，缺少精确的量化计算方法，与实际应用仍有一段距离。
此外基于节地的研究还很少见诸报端，所以开展确定立交桥节地匝道圆曲线半径的研究是非常及时和必要的。
1．数据采集
课题组于2010年8月对沈大高速、丹大高速、京沈高速和沪蓉西高速公路共计986公里的68座立交桥，在天气晴朗的正常工作日，早8：
00到晚18：
00，采用GPS、雷达枪测速、MC5600交通数据采集仪、驾驶员心生理测试仪、录像设备进行小型车自由流下的匝道圆曲线上不同点运行速度、驾驶员的心率以及交通流量等数据实地采集。
其匝道上观测仪器的布设如图1所示，驾驶员心生理测试如图2所示。
图1匝道上观测仪器布置图2驾驶员心生理测试的示意图
2.匝道运行特性分析
将采集的数据进行归类处理分析，得到驾驶员沿着匝道行车时，不同线形对驾驶员的心理产生不同的影响，如果半径较小，驾驶员行车速度快，那驾驶员心理反应就紧张，反之如果半径过大，虽然保证驾驶员的舒适性，但是占地面积就会加大。
而匝道圆曲线最小半径的大小取决于匝道的计算行车速度，表1为公路立交桥匝道圆曲线最小半径。
表1匝道圆曲线最小半径
匝道计算行车速度（km/h）
80
60
50
40
35
30
圆曲线最小半径（m）
一般值
280
150
100
60
40
30
极限值
230
120
80
45
35
25
通常选用大于一般值的半径，当受地形条件或其它特殊情况限制时，方可采用极限最小半径值。
通过分析实际观测得到的运行速度数据，探求匝道不同圆曲线半径特征点运行速度的规律，得到匝道圆曲线半径和行车速度之间的相互关系，如图3，4所示。
图3驶离匝道时不同半径的速度图4驶入匝道时不同半径的速度
通过图3可以分析出：
随着圆曲线半径的增大，运行速度有增大的趋势，但是圆曲线中点速度最小。
速度呈增长的趋势，主要是因为车辆即将进入减速车道产生的。
由图4可知：
随着圆曲线半径的增大，运行速度有增大的趋势，但是圆曲线中点速度最小。
当匝道时半径为69.35m处出现较大的速度，这主要是半径过大过小都会导致驾驶员心生理紧张。
3匝道驾驶行为特性分析
驾驶员心生理变化一个重要指标是驾驶员的心率。
通过实测数据的分析可知，不同素质的驾驶员心率是不同的，为了准确描述驾驶员行车过程中的心生理反应，采用心率增长率来衡量驾驶员的生理和心理变化，即驾驶员的紧张程度。
为此利用驾驶模拟舱仿真系统进行紧张度标准的研究，即通过编写计算机程序使被调查道路设计文件的公路场景再现，再让安装有检测心生理仪器的驾驶员在虚拟的道路上以自由流行车，其紧张度仿真设计框图如图5（a）所示。
把测得数据进行加工处理得到驾驶员心率增长率与心理紧张度的阈值如图5（b）所示。
（a）紧张度仿真设计框图（b）紧张度阈值
图5驾驶员紧张度的阈值
由图5（b）可以定量得出驾驶员的舒适、紧张、恐惧感是三条垂直直线，直线的长度代表其离散程度，也就是驾驶员的舒适、感的紧张度的区域。
经系统分析计算并综合考虑驾驶员的心理承受能力和保证道路安全性，确定以15%位值为阈值。
故有：
舒适、紧张、恐惧阈值其心率增长率分别为20%、30%、40%。
4.匝道圆曲线半径的选取
圆曲线半径值直接影响匝道的形式、用地、规模和造价。
把实测得到的数据进行归类处理，分析匝道圆曲线半径特征点与运行速度、心率的关系分别分析得如图6、7所示。
图6驶离匝道特征点与速度关系图7驶入匝道特征点与速度关系
对于限速为30km/h的匝道。
从图6可以看出，车辆在匝道起点的速度基本上大于限速30km/h，当半径m时，车辆在匝道中点、终点的速度就基本大于限速30km/h，在半径为47.98m时，匝道上各点的速度均小于30km/h。
根据上述分析，当半径增大时，将会提高行车的舒适性，但同时将会带来土地资源浪费、交通事故发生频繁；在半径减小时，虽然速度也较低，在设计速度值附近波动，但从速度一致性原理考虑，将驶离匝道半径定于48~50m为宜。
从图7可以看出，在半径时，车辆在匝道起点、中点、终点的速度基本上大于限速30km/h。
在半径为51.61m时，起点和中点的速度。
当半径增大时，虽可提高行车的舒适性，但将会带来土地占用面积增大、土地资源浪费、增大事故的隐患；在半径减小时，虽然速度也较低在设计速度值附近波动，但从速度一致性原理考虑，将驶入匝道半径定于50m为宜。
图8驶离匝道半径与心率增长率的关系图图9驶入匝道半径与心率增长率的关系图
从图8中可以看出：
随着半径的增大，心率增长率有下降的趋势。
当匝道半径R大于50m，心率增长率基本上30%。
从节约用地方面以及驾驶员的舒适性考虑，驶离匝道半径选择50m为宜。
通过对样本的分析得到圆曲线半径与心率增长率的模型为：
（1）
相关性检验：
采用式进行F回归检验，通过查统计分布（F分布）数值表，得：
由于
在0.05的显著水平下，式
（1）通过了相关性检验。
式中：
相关系数：
0.9132；：
自由度；;：
样本个数，x：
半径y：
心率增长率。
从图9中可以看出：
随着半径的增大，心率增长率有下降的趋势。
当匝道半径R大于50m时，心率增长率基本上30%。
从节约用地方面以及驾驶员的舒适性考虑，驶入匝道半径选择50m为宜。
半径与心率增长率的关系为：
（2）
相关系数=0.9495，经F检验得到式
（2）在0.95的显著水平下通过了相关性检验。
综合以上分析，从驾驶员舒适性、偏安全角度与节约用地的方面考虑，认为驶入、驶离环形匝道圆曲线半径应该取50m。
5.实例验证
通过对68座互通立交桥调查分析，发现喇叭形立交桥所占比重最大，达到了88%，其次是定向形立交桥为5.88%和半苜蓿叶立交桥占2.9%。
其比例如图10所示。
R=60m
r=50m
图10各立交型式所占比例图11互通立交节地平面图
以喇叭口立交桥为例，匝道的计算运行速度为40km/h，平曲线的最小半径一般值为60米，根据研究得到的成果半径值为50米，这样在保证了车辆的安全运行的前提下，通过公式计算得出互通立交桥节地可达30.56%，达到了节约用地的要求。
6.结语
通过大量的实地调查和数据采集，结合国内外关于互通立交的最新研究成果，运用速度一致性、驾驶行为特性分析方法，以速度差和驾驶员舒适性为控制指标分析出匝道半径与心率增长率的关系模型。
并在保证通行能力的基础上，从行车安全和驾驶员舒适性角度，提出了驶离、驶入匝道圆曲线半径为50m。
由于平曲线半径的减小，可使互通立交桥减少建设用地，从而最终达到减小立交桥占地规模的目的，因此成果的应用将产生巨大的经济效益和社会效益。
6.1创新特色
（1）通过分析动态心生理采集仪、非接触式速度采集仪、GPS等仪器的功能特点，首次集成了互通立交桥动态数据采集实验系统。
（2）通过分析互通立交桥上小客车的运行特性和在匝道上驾驶行为特性，首次得出了匝道的紧张度阈值。
（3）通过大量的实地调查，首次基于驾驶员心生理特性和速度差分析方法，构造了基于驾驶适应性的互通立交桥圆曲线半径关系模型。
（4）通过大量的实地调查，对所得数据归类分析，运用速度一致性、驾驶行为特性原理，以节约用地为根本目的，在保证通行能力的基础上，从驾驶员舒适性角度出发，首次确定了基于驾驶适应性的节约用地的互通立交桥圆曲线半径值。
6.2应用前景
通过大量的调查和科学的分析，得到了节地的立交桥匝道圆曲线半径值。
研究成果的应用不仅可以减少立交桥区域交通事故的发生，提高道路的安全性，而且节约了土地资源和建设资金，对高等级公路和城市道路建设具有很强的指导性。
调研成果可靠，技术含量高，可操作性强，便于设计和管理人员使用。
成果的推广对未来交通发展具有极其广阔的应用前景，尤其对节地型的高等级公路建设具有重要的理论价值。
参考文献
[1]国土资源部称1996年至2004年全国耕地减少1亿亩.城市规划通讯,2005（13）
[2邓飞宇,徐一岗,周鑫枢纽互通立交平面线形指标与立交用地的敏感性分析[J]，现代交通技术,2008,（03）
[3]聂蓉,王俊.高速公路网互通式立交布局规划影响因素分析[J]，交通科技,2005（04）
[4]杨智生.互通立交设计有关问题的思考[J]，公路,2005,（12）.
[5]雷伟.对互通立交设计的几点见解[J]，交通标准化,2006,（8）.
[6]郑柯,江立生,荣建,任福田.高速公路平曲线半径对行车心生理反应影响研究[J]，公路交通科技,2004,（05）.
[7]JBonneson,KZimmerman,KFitzpatrick.RoadwaySafetyDesignSynthesis[J]，ProjectNumber0-4703.TexasTransportationInstitute.2005.
[8]美国交通部联邦公路管理局，公路灵活性设计指南，人民交通出版社.2002
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