关于公路的超高及其过渡段的设计应用

科学之友　Ｆｒｉｅｎｄ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ａｍａｔｅｕｒｓ　２０１　０年Ｏ６月　关于公路的超高及其过渡段的设计应用　郝晨琦　（深圳公司工程顾问有限公司，广东深圳５１８０３４）　摘　要：文章从公路现状及未来公路的发展状况、保证行车安全和舒适性角度阐述中低等　级公路，特别是旧路改扩建中经常遇到的超高及其过渡段的设置问题。对于在路线设计中，　处理好超高值选定以及超高过渡段的设置有一定的借鉴意义。　关键词：公路；路线设计；超高及其过渡段设置　中图分类号：Ｕ４４８．２１６　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—８１３６（２０１０）１７一∞０卜０３　根据《公路路线设计规范》ＪｒｒＧ　Ｄ２０－－２００６的规定，各圆曲线　半径所设置的超高值应根据设计速度、圆曲线半径、公路条件、　表２道路最大超高率　自然条件等经计算确定。新规范取消了原有的“圆曲线半径与超　公路所在地区的气候　高速公路、一级公路　二、三、四级公路　高值”对应表，使得实际设计工作中，超高取值计算因人而异，掌　握尺度相差较大。实际设计人员、复核人员、审核人员以及评审　一般地区／％　ｌＯ或８　８　人员往往对于一种情况会选用多种结果，而且各有理由。针对这　种情况，本文力求从现状及未来公路发展状况、从保证行车安　全，提高乘车舒适性方面提出选定超高值以及设置超高过渡段　积雪冰冻地区，％　６　６　的方法，供公路路线设计人员参考。　需研究横行力系数在０～２５％以下的情况。当横行力系数达到　１　圆曲线半径与横行力系数之间的关系　２５％以上时，乘员会感到很不稳定，车辆有倾倒的危险，安全行驶　车辆在弯道上行驶，好比物体作圆周运动，由于惯性作用，　得不到保证。　车上乘员会感觉到一个横向作用力（离心力）。弯道行驶惯性作　网曲线半径与横行力系数之问的关系见图１。　用产生的横向作用力（离心力）与行车速度成正比，与弯道曲率　半径成反比。在车速一定的情况下，圆曲线半径越小横行力越　大。随着弯道上行驶车辆速度的不断增加或弯道半径的减小，车　上乘员所受到的横向作用力不断加大，稍有感觉横行力作用，到不　得不靠紧座椅把横行力传递给座椅靠背，或者调整身体姿势使身　体向相反方向倾斜，以抵抗离心力作用。弯道行驶惯性作用产生的　横向作用力（离心力）发展到一定程度将使弯道行驶中的车辆产　生横向滑移，甚至产生车辆侧翻，危及车辆和乘员的安全。　根据车辆在道路上行驶的设计情况，国内外调查资料从乘　员的承受能力与舒适感考虑，均认为乘员所承受的横行力系数厂　０　５００　１　０００　１　５００　２０００　２　５００　３　０００　３　５００　４０００　４　５００　５　０００　需控制在１５％左右。当ｆ＜ｏ．１０时，转弯不感到有曲线的存在，很　图１　图曲线半径与横行力系数之间的关系　平稳；当ｆ－－ｏ．１５时，转弯感到有曲线的存在，但尚平稳；当ｆ－＝ｏ．２０　２　圆曲线超高设置规定及实际应用情况　时，已感到有曲线的存在，并感到不平稳。我国根据研究资料，采　用乘员承受最大横向力系数厂唧见表１。　为了保证车辆在弯道上的行驶安全，减小弯道惯性力作用，　表１乘员承受最大横向力系数　提高车辆乘员的舒适度。道路设计规范对各级道路规定了设计行　　ｒ驶速度并根据行驶速度对最小圆曲线半径作出了限制。对于道路　设计速度／（ｋｍ，ｈ）　１２０　１ｏ０　８０　６０　４０　３０　２０　圆曲线路段，应根据离心力的大小，设置相应的超高，并规定了需　最大横向力系数　Ｏ．１Ｏ　０．１２　０．１３　Ｏ．１５　Ｏ．１５　０．１６　Ｏ．１７　要设置超高的圆曲线半径区间。各级公路当圆曲线半径小于表３　中所列不设超高最小半径时，应在曲线上设置超高。　为了平衡横行力系数的作用，在乘员承受横向力大于表１　最大横向力系数之前，就通过设置路面超高来降低横行力作用，　表３不设超高的圆曲线最小半径　提高乘员的舒适感。　设计速度／（ｋｍ／ｈ）　ｌ２０　１００　８０　６０　４０　３０　２０　根据道路所在地区的气候，一般规定最大超高率　一为６％～　１０％。见表２。　不设超高　路拱≤２％　５　５ｏ０　４Ｏ０ｏ　２　５ＯＨＤ　１　５ｏ０　６ｏｏ　３５０　ｌ５０　车辆在弯道上行驶，惯性作用产　的离心力分别由超高倾　最小半径　斜时自重分力和乘员自身承受横向力来平衡。因此，道路设计只　路拱＞２％　７　５ｏｏ　５　２５０　３　３５０　ｌ　９ｏｏ　８００　４５０　２ｏ０　郝晨琦　关于公路的超高及其过渡段的设计应用　在道路路面上设置与离心力作用方向相反的超高率，使得　１０年是公路建设成为经济瓶颈的严重制约阶段；从１９８７年一１９９７　道路弯道内侧低、外侧高时，行驶车辆和乘员产生向弯道内侧的　倾斜　其自重力作用下的横向分力与离心力反向相反，可以抵消　（或者部分抵消）离心力的作用，消除或者削弱乘员的不舒适感。　超高的横坡度按公路等级、设计速度、圆曲线半径、路面类　型、自然条件和车辆组成等情况确定。在道路实际设计中，把圆　曲线半径分为几个区间，分段设置路面超高率。例如，《公路路线　设计规范》（送审稿）规定，当设计速度为６０　ｋｍ／ｈ、最大超高率为　８％时，圆曲线半径与超高率规定见表４。　表４圆曲线半径与超高率　设计速度为６０　ｋｍ／ｈ、最大超高率为８％　曲线　＜１　５００～　＜８７０—　＜５９０～　＜４３０～　＜３２０～　＜２４０～　＜１７０～　半径，ｍ　８７０　５９０　４３０　３２０　２４Ｏ　１７Ｏ　１２５　率／％　超高　２　３　４　５　６　７　８　图２中描述了设计速度为６０ｋｍ／ｈ、最大超高率为８％时，横　行力系数分配关系。从图２中可以看到，路面实际超高率设置线　以下的离心力通过设置路面超高横坡度后的自重横向分力抵　消；路面实际超高率设置线以上的离心力由车辆及乘员自身承　担。考虑到乘员的舒适程度，最大可承担横行力系数为１５％。　当车辆行驶速度一定的情况下，在弯道上行驶的车辆由于　惯性的作用所产生的离心力随着行车速度发生变化。在圆曲线　半径较大时，横行力系数变化速度较慢，随着圆曲线半径的逐渐　变小，横行力系数变化的速度会急速增加。根据科研试验情况，　一般地区的圆曲线最大超高值宜采用８％。　区　２００　４００　６００　８００　ｌ　０００　１　２００　１　４００　平曲线半径，ｍ　图２设计行车速度为６０　ｋｍ／ｈ最大超高值８％时的横行力系数分配图　图２中斜十字网格区域表示车辆乘员所承受的横行力系　数，斜线阴影区域表示设计的路面超高率。在圆曲线半径较大　时，乘员所承受的横行力系数较小；随着圆曲线半径的逐渐变　小，乘员所承受的横行力系数逐渐变大，当达到乘员正常情况下　所能承受的极限值１５％时，确定了最小圆曲线半径。从图２还可　以看出，按照原规范规定设置圆曲线超高，对于乘员所承受离心　力并不是随车辆行驶曲线半径连续变化的。特别是在开始设置　超高的圆曲线半径分界点的两侧，乘员所承受横行力（离心力　２％和路拱横坡分力２％）发生了突变，由４％突变为０。而对于日　常乘车，从没有人会感觉或注意到这４％横行力突然消失的变　化，也没有任何不舒服的感觉。　３公路发展状况及中低等级公路超高设置　我国公路建设起步时间较晚，在建国以来经历了４个阶段：　建国之初的３Ｏ年是公路建设长期滞后阶段；改革开放的第一个　一２—　年，我国高速公路从无到有，进入起步阶段；１９９８年到现在，高速　公路建设快速发展。　近两年，为了应对全球经济危机，拉动国内经济发展需要，国　家强化了在基础设施上的投入，又一个高速公路建设高潮，低等　级公路升级改造大趋势正在形成。在以往经济条件低下的时期　修建的公路面临大规模升级改造，公路的行驶条件、路基宽度、路　面行驶状况都有很大的改善；以往制造的低速车辆已经被高性　能、高质量、高速度的现代化车辆所代替，在中低等级的公路上，　行驶速度往往会大于甚至远远超过道路设计速度。　规范在条文说明中指出：圆曲线半径与超高值的对应关系，　各地应根据实际条件或经检查、验算运行速度后再确定。　当考虑道路行驶状况和车辆实际行驶速度提高时，公路设计　应在规范规定的道路最大超高值以下，采用较大的计算超高值。　根据上述对圆曲线超高设置规定及实际应用情况分析，设计超高　值可以与计算离心力系数偏离６％～８％，偏离的离心力由乘员承　受，而乘员不会感到不舒服。　４在中低等级公路升级改造中超高过渡段的设置　｛ｆ　规范规定：由直线段的双向路拱横断面逐渐过渡到圆曲线段　的全超高单向横断面，其问必须设置超高过渡段。超高过渡段长　度按公式：　￡ｃ：　式中：￡　：超高过渡段长度，ｍ；　：旋转轴至行车道（设路缘带时为路缘带）外侧边缘的宽　度，ｍ；　Ａｉ：超高坡度与路拱坡度的代数差，％；　Ｐ：超高渐变率，其值见表５。　表５超高渐变率　设计速度　超高旋转轴位置　，（ｋｍ／ｈ）　中线　边线　ｌ２０　１／２５０　ｌ，２【ｘ】　ｌ００　１／２２５　１／１７５　８Ｏ　ｌ／２００　１／１５０　６０　１／１７５　１／１２５　４０　１／１５０　１／１０ｏ　３０　１／１２５　１／７５　２０　１／１Ｏ０　１，５０　按照规范超高渐变率的规定，在设计速度、行车道宽度和超　高坡度与路拱坡度的代数差一定的情况下，超高过渡段长度是确　定的。　在旧路升级改造实际设计工作中，往往遇到这样的情况。由　于受道路环境和工程造价限制，一些路段对超高过渡段长度特别　敏感。道路升级改造需加长超高缓和段长度，这就需要大规模的　增加投入，进行局部改线，才能达到设计标准。　当分析了圆曲线超高设置规定及实际应用情况之后，可以发　现，由于乘员可以承受的横行力系数可以达到１０％，超高横坡度　是可以在一定的调整范围调整的。往往通过调整（减小）超高横　坡度，在满足超高最大渐变率的情况下改变超高过渡段长度，使　超高过渡段设计满足规范要求。　科学之友　Ｆｒｉｅｎｄ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ａｍａｔｅｕｒｓ　２０１　０年０６月　浅议变压器抗短路能力　魏力云　（山西焦煤西山煤电集团西铭矿，山西太原０３００５２）　摘要：电力变压器的可靠性不仅取决于设计制造、结构材料，也与检修维护密切相关。　同时大容量的电力变压器也是十分贵重的元件，因此，必须根据变压器的容量和重要程度　考虑装设性能良好，工作可靠的继电保护装置。　关键词：变压器；继电保护；保护装设　中图分类号：ＴＭ４０５　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—８１３６（２０１０）１７—０００３—０２　变压器在运行中与输电线路连在一起，经常受到来自线路　好初级和次级绕组的绝缘问题，将初级和次级绕组绕好后进行通　的过电压、过电流的侵袭，是传输、分配电能的枢纽，是电力系统　电试验，试验合格后再做绝缘浸漆和烘干处理。电力变压器主要　中十分重要的供电元件，它的可靠运行不仅关系到广大用户的　是利用电磁感应原理，在原方将工频信号通过电力电子电路转化　可持续性，也关系到整个电力系统的安全性能。　为高频信号，然后通过中间高频隔离变压器升压、降压、自偶等形　我国电力变压器产品可按容量大小分为大型变压器（容量　式耦合到副方，再还原成工频信号。通过控制变压器的电力电子　大于或等于８０００　ｋＶＡ）和中小型变压器（容量小于或等于６　３００　ｋＶＡ）；　装置，将一种频率、电压、波形的电能变换为另一种频率、电压、波　也可按电压等级分为６　ｋＶ、１０　ｋＶ、３５　ｋＶ、６０　ｋＶ、１１０　ｋＶ、２２０　ｋＶ、　形的电能的装置。　３３０　ｋＶ和５００　ｋＶ等。作为电压变换设备，特别是１０　ｋＶ和３５　ｋＶ　电压等级的变压器被广泛应用于输电和配电领域，在电力、工业　２对变压器进行短路试验　和商业等领域中被广泛使用，且数量巨大。１９９９年，我同变压器　由于恶劣天气、误操作、误动作等情况可能使电网电流迅速　年产约３３．８万台，其中１０　ｋＶ和３５　ｋＶ级约３１．３万台，占　升高造成短路，使变压器必须承受短路电流的极大冲击，在这一　９２．６％。据估计，目前在电网上运行的１０　ｋＶ和３５　ｋＶ级变压器　电流的冲击下，变压器本身的制造、平时的维护等原因可能使变　约有ｌ０亿ｋＶＡ以上。由于使用量大，运行时间长，变压器在选择　压器损坏，为此提高变压器的抗短路能力一方面必须配备可靠的　时必须考虑其抗短路的能力，特别是使用量大，运行时间长的１０　ｋｖ　继电保护，尽可能地减少短路的发生，从而减少短路电流的冲击；　和３５　ｋＶ级变压器。　另一方面对变压器进行绝缘、耐压、短路等各种试验，发现隐患及　１变压器概述　时处理，不可靠的环节加以改进，保证变压器安全可靠运行。　变压器是利用导磁系数高的硅钢片插成铁芯组，初级绕组　３　继电保护　根据初级额定电压和铁芯的截面积以及次级的输出电压，计算　３．１继电保护　出每伏匝数和初级电流，就可以计算出绕组的截面积。然后处理　５结束语　的线型改造，就使超高过渡段设计满足了规范要求，有效地降低　了工程造价。　上述设计方法在甘肃省岷合公路升级改造中得到应用，对　于多个缓和曲线长度满足不了超高过渡段长度的路段，通过调　作者简介：郝晨琦，男，１９８３年出生，河南省新乡市人，２００５年７　整超高横坡度减短了超高过渡段长度，工程不需要进行大规模　月毕业于长沙理工大学土木专业，助理工程师。　Ｄｅｓｉｇｎ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｕｐｅｒｅｌｅｖａｔｉｏｎ　ａｂｏｕｔ　ｔｈｅ　Ｈｉｇｈｗａｙ　ａｎｄ　Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　Ｓｅｃｔｉｏｎ　Ｈａｏ　Ｃｈｅｎｑｉ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｉｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｅａＴｒｅｎｔ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｗａｙ　ａｎｄ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｇｕａｒａｎｔｅｅｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｇｒａｄｅ　ｉｓ　ｃｏｍｍｏｎ　ｉｎ．ｔｈｅ　ｔｒａｆｆｉｃ　ｓａｆｅｔｙ　ａｎｄ　ｃｏｍｆｏｒｔａｂｌｅｎｅｓｓ　ａｎｇｌｅ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｅｘｐｌａｉｎｅｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈｗａｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｕｔｕｒｅ　ｗａｙ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｓｕｐｅｒｅｌｅｖａｔｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｏｆｔｅｎ　ｍｅｅｔｓ　ｉｎ．ｔｈｅ　ｏｌｄ　ｗａｙ　ｉｓ　ｅｘｐａｎｄｅｄ　ａｎｄ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ　ｑｕｅｓｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ．Ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｏｕｔｅ，ｔｈｅｒｅ　ａｒｅ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｍｅａｎｉｎｇｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ　ｗｈｉｃｈ　ｈａｎｄｌｅｓ　ｓｅｌｅｃｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｓｕｐｅｒｅｌｅｖａｔｉｏｎ　ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｕｐｅｒｅｌｅｖａｔｉｏｎ　ｖａｌｕｅ　ｗｅｌ１．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈｗａｙ；ｔｈｅ　ｒｏｕｔｅ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ；ｓｕｐｅｒｅｌｅｖａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｔｒａｎｓｉｉｔｏｎ　ｓｅｃｔｉｏｎ　ａｒｅ　ｓｅｔ　ｕｐ　一３一