1、公路纵断面连续曲线的线性设计【摘 要】高等级公路的设计理念和一般公路不同，其纵断面线性除应与地形相适应外，还要求设计成视觉连续、平顺圆滑的线形，以达到快速驱车行驶的安全、经济、顺适，从而形成消除不安全感的措施。本文着重介绍了采用“连续竖曲线”线形设计方法的优点，也提出一些问题予以探讨。 【关键词】连续曲线 临界纵坡 视觉 “公路路线规范” （以下简称“路规” ）对纵断面设计提出了一系列的原则要求：纵断面线形应与地形相适应，设计成视觉连续，平顺而圆滑的线形，避免在短距离内出现凹、凸起伏的线形。对高等级公路的线形设计除必须满足一般公路线形设计要求外，还要满足视觉心理学、环境保护学及与地形、地物条件
2、相适应，并与周围景观协调等方面的要求。力求在高速驱车行驶动态中，其线形设计要考虑人的感觉平衡，即无论车辆加速与减速、左右转弯、上下坡等均要给人以平衡感觉，有舒适的享受没有什么不适应的情况，故要求各项技术指标均要以连续、均衡、协调，不因线形骤变造成行驶速度改变过大，再之汽车高速行驶时要给人以安全感，人们乘车旅行期望安全，有了安全感人们就不会感到紧张，才会有舒适感。 1 纵断面“连续曲线”线形设计的要点 对于一般公路纵断面线形设计方法和顺序仍是与平面线形设计情况和方法相同，系按地形凹、凸变化，结合桥涵、通道等人工构造物布设情况考虑高程控制点。移挖作填、填挖平衡等条件，以直线定出纵坡度连接这些直线作
3、为纵断面的基本线形，再在直线间转折处，即纵坡变坡（点）处，根据需要插入适当长度的坚曲线。前者按所需“路线等级”应采取什么样的纵坡度比较合适；后者是为了满足汽车行驶力学的要求，但这二者并不一定能保证视觉上连续性和能给驾驶员以心理上的舒适快畅的感觉，而其作用仅是为了缓和汽车因动力作用的变化受到冲击和以保证纵断面线形的凸起所需的视距要求而已。 鉴于过去一般公路平面线形是“长直线一短曲线”型，其纵断面也是“长直线一短曲线”型，因而采取了小半径竖曲线已养成习惯，一般认为只要符合“规范”的最小值，符合“设计标准”所规定的竖曲线长度（或竖曲线半径）之值，就算是合乎标准要求了。但要为了获得视觉上的顺滑，还需要
4、采用 3-5 倍的标准值，就很少考虑了。通常平面线形无论如何不能避开地形、地物的制约，设置某种大的曲线往往也是不可能的。而纵断面在很多情况下，只要稍增加一点土石方量、或构造物的费用，就可以取得大的竖曲线。尽可能的采用大的竖曲线，对设计、施工两方面确是件麻烦事，但公路建成后，却能很好的符合地形，给人们以连续、流畅的美感，且又能保证安全、舒适的行驶。 2 纵断面“连续曲线”线形设计的方法 纵断面线形采用连续曲线的设计方法，其难度就在需要平、纵技术指标应大小均衡，从而能使线形在视觉上、心理上保持较好的协调，使人有美感的享受。纵断面设计时要注意以下几个方面： （1）竖曲线也是公路美学设计一个重要组成部
5、分，这是要特别认真注意的一个方面。一般在相同条件下，凸型竖曲线半径要大于凹型竖曲线半径，可采取不同的切线长度予以分配相应的坡长，使其前后凹、凸竖曲线相互协调，并又要与其相应平面线形指标均衡匹配；采用以“切线长”将其“坡长”按比例分配时应注意其相邻的凸型相应地要比四型的竖曲线长度要长一些。 （2）我国“路规”作了坚曲线的最小长度为“3 秒设计车速的行程”的规定，实际上人们的视觉对“坡度差”十分敏感，日本资料认为竖曲线应是最小长度的 35 倍为宜。 （3） “路规”对纵断面设计有最大纵坡的规定，合理的利用规范规定的极限纵坡，这是我们在设计时要注意的。因为我们采用了连续的竖曲线，这样，在一个坡段里面
6、，每一点的临界纵坡都是不同的，同时，我们按变破点计算出来的纵坡，仅是在两个竖曲线接点处的临界纵坡，并且该坡段内的其余点的临界纵坡都小于该纵坡，这样从汽车的行驶动力学来讲，其要克服的高度差要小于直线坡要克服的高度，行驶也更平顺。 3 纵断面“连续曲线”线形设计的优点 （1）这种设计是高速驱车行驶的汽车动力学行驶力学的需要，能保证汽车行驶安全、顺适和经济、并与平面线形密切配合，可以大大消除不安全感，能形成清晰的透视形态，且又适应地形起伏要求，并在视觉上能保持连续和圆滑线形设计。 （2）根据路线等级规定选择纵坡，并首先必须考虑控制条件（起伏与下凹）的地形，因此纵面线形对于地形来说应是圆滑顺适，在短距
7、离内不出现许多反复的凹凸线形，同时也避免只能看到近处和远处看不到中间口下部分的线形，不要使视觉上产生不安全的感觉。 （3）解决采用规范规定“最大限坡”的充分利用：一般情况下采用连续坚曲线对上坡又下坡的正弦坡可以将最大限坡度折减 4050%；对连续上坡（或下坡）可以折减 1217%，而其“最大极限坡度”仅是一“瞬间的坡度” ，按汽车行驶力学的要求，由于其动力惯性，使之更能提高平均车速，这是因为由于采用连续竖曲线其坡顶（或坡底）所采用的竖曲线半径比较大，其纵坡度也相应地比较平缓，符合国际提出采用“运行车速”行驶力学的要求。 （4）连续竖曲线采取了足够大的曲线半径，对“凸型”可保证安全行车所必要的停
8、车视距；对“凹型”可保证夜间行车视距不受影响，且满足行车舒适要求，消除变坡点冲击，视觉连续且有良好诱导，避免了不良心理诱因，而使驾驶人员高速驱车行驶且有舒顺安全感和美的享受。（5）连续较长的上坡路段，其坡顶附近，由于采用连续坚曲线，可以收到比较平缓的纵坡度。 （6）采用连续竖曲线可以避免在长直线上或较长的平曲线上设置陡坡及曲线长度短、半径小的竖曲线，特别是凹型竖曲线。高速公路或一级公路，常常采用较长的平曲线，平曲线长度一般为 l2Km，或更长，因此一个坚曲线很难与整个平曲线相重合。 （7）解决了相邻竖曲线之间的连接问题：“路规”9.3.5：“在正常情况下均应这样做，即要求同向竖曲线，特别是凹型
9、竖曲线之间，如直线段不长，应合并为单曲线或复曲线” ，避免出现“断背曲线” 。日本道路公团高等级公路设计规范指出：由于在路线下凹处插入短直线，视觉上成为一段不柔和的死板公路（好像在山谷内安放一块大木板那样硬的东西） 。 “直线坡”段也是高速驱车行驶易出现交通事故的多发地段。 （8）根据交通事故调查统计率表示，在平面的“直线”段和纵面的“直线坡”段其交通事故率相对地增高，特别是纵断面“直线坡”段又是在3%的路段事故率更高，因此将竖曲线相连在一起，成为“连续坚曲线” ，就可将“直线坡”段减短到零，使线形更为美观、柔顺、圆滑，并能与平面线形配合使之设计成立体性好并消除不安全感的线形。例如在直线段的终
10、点运行车速经常超过下一个曲线段的设计车速，从而在某些地点造成潜在危险。 （9）在平面线形组成连续曲线其路线增长系数最小，即其路线起讫点间距离是最短，而纵面由于所设置的竖曲线的半径按规定要求一般是很大的竖曲线半径，如 120km/h 设计时速极限最小凸 11000m，凹 4000m对在平面的距离在 5001000m，又按投影水平距离考虑，其弦弧差是很小的，其纵面按行车轨迹考虑其连续竖曲线也相对的比较短，即总使其“路面”建设里程长度相对比较短。 4 结束语 公路的纵断面设计，在不同的国家和地区，其设计的思路也不太相同，但总的设计思路还是线形设计要平顺、圆滑、视觉连续，保证行驶安全；纵坡设计要考虑填挖平衡，保证路基安全的情况下做到经济；景观上要求尽量减少高填深切，减少对自然的破坏，与自然景观融为一体。
