CN111118989A - 一种高速公路a型单喇叭互通设计标准化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速公路A型单喇叭互通设计标准化的方法，首先对A型单喇叭互通匝道类型进行分类，其次确定各类型匝道平面线元组合的标准形式，然后给出标准形式线元组合中各设计参数的推荐值，最后根据设计条件选用标准化参数的推荐值，从而实现互通式立交设计标准化。本发明给出了A型单喇叭互通匝道基本路段设计参数推荐值，推荐值可指导A型单喇叭互通匝道基本路段设计参数的选用；可提高A型单喇叭互通设计效率，利于设计质量的控制；可控制A型单喇叭互通设计成果的差异性，为A型单喇叭互通装配式施工、BIM技术应用等奠定基础。

Description

一种高速公路A型单喇叭互通设计标准化的方法
技术领域
本发明属于标准化技术领域，涉及一种高速公路A型单喇叭互通设计标准化的方法。
背景技术
互通式立体交叉(以下简称互通)作为路网提高运行效率的重要节点及转弯交通量高效流畅转弯的通道，在高速公路网中占有很大比重。
目前互通设计存在两个问题：一是因互通主线与匝道、匝道与匝道之间相互制约，设计参数选择十分困难，加之互通设计指标选定需综合考虑多方面因素，设计人员很难把握，使得互通设计效率较低，且难以保证设计质量；二是因设计人员的设计理念和设计经验等不同，使得即使面对同一设计任务，设计成果差异性往往也较大，从而增加了后续桥梁、交安设施等设计及施工中的重复性工作。
互通设计标准化的实现，一方面可提高互通设计效率，保证互通设计质量，进而增强互通设计的合理性和科学性；另一方面也可控制设计成果的差异性，为互通的工厂化生产、装配式施工以及与BIM技术的有效结合奠定了基础。而对于公路行业，设计标准化的研究主要集中在桥涵设计、挡土墙设计和公路交通安全设施设计等方面，并有了一系列通用图，而有关互通设计标准化的研究仍处于空白。因此，提出一种A型单喇叭互通匝道基本路段设计标准化的方法很有必要。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中互通设计标准化的研究空白的问题，提供一种高速公路A型单喇叭互通设计标准化的方法。该方法能够提高互通设计效率，保证互通设计质量，减小互通设计成果差异性，从而为互通标准化施工和标准化管理奠定基础。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种高速公路A型单喇叭互通设计标准化的方法，包括如下步骤：
(1)收集A型单喇叭互通设计资料；
(2)对A型单喇叭互通匝道类型分类；
(3)分析各类型匝道线元组合方式，构建A型单喇叭互通标准化模型；
(4)匝道设计参数分类，确定A型单喇叭互通标准化参数；
(5)确定标准化参数推荐值；
(6)根据设计条件选用标准化参数推荐值。
本发明的进一步改进在于：
步骤(1)中互通设计资料包括互通设计说明书、平面图、总体图、纵断面图和标准横断面图。
步骤(2)中A型单喇叭互通匝道共有5条，包含1条环形匝道、1条半直连匝道、1条连接匝道和2条直连匝道。
步骤(3)中构建A型单喇叭互通标准化模型的具体方法如下：
为5条匝道拟定2种线元组合方式，分别记为线元组合1和线元组合2；基于步骤(1)收集的设计资料，分别统计各类型匝道线元组合1和线元组合2所占比例，并将比例大者确定为标准化线元组合方式；A型单喇叭互通5条匝道标准化线元组合方式相互组合即得到A型单喇叭互通标准化模型。
步骤(4)中匝道设计参数包括独立参数、非独立参数和控制参数三种类型，独立参数包括设计速度、圆曲线半径和缓和曲线参数；非独立参数包括横断面参数、变速车道长度、圆曲线超高和圆曲线加宽；控制参数包括线形组合协调性、纵坡、竖曲线半径、鼻端设计参数和视距。
步骤(5)中标准化参数推荐值包括圆曲线半径和缓和曲线参数。
A.基于步骤(1)收集的设计资料，统计步骤(3)确定的A型单喇叭互通标准化模型中各匝道圆曲线半径和缓和曲线参数的取值范围，用箱线图分析各参数取值范围，各参数取值范围的上下限分别为该参数的75％分位数和25％分位数；
B.采用遗传算法对圆曲线半径和缓和曲线参数进行优化，包括确定遗传算法基本参数取值，目标优化函数和约束条件；查阅相关文献确定基本参数取值，按遗传算法基本参数一般取值选用；目标优化函数为匝道长度；约束条件包括相关规范规定和安全行车需求；先优化环形匝道，并将环形匝道优化结果作为半直连匝道和连接匝道的接线条件；
C.互通式立交在设计时把参数调整为5的倍数，遵循此原则对优化结果进行调整，确定为各匝道各平面设计参数的推荐值。
步骤(6)中设计条件包括设计速度、高差和交叉角度。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种高速公路A型单喇叭互通设计标准化的方法，统计分析了A型单喇叭互通各匝道线形组合方式，从而确定了A型单喇叭互通各匝道标准化线形组合方式。在标准化线形组合基础上，引入遗传算法对各匝道设计参数进行了优化，最终给出了A型单喇叭互通各匝道基本路段设计参数推荐值，推荐值可指导A型单喇叭互通匝道基本路段设计参数的选用；可提高A型单喇叭互通设计效率，利于设计质量的控制；可控制A型单喇叭互通设计成果的差异性，为A型单喇叭互通装配式施工、BIM技术应用等奠定基础。除此之外，本发明在确定A型单喇叭互通各匝道设计参数推荐值的过程中，除了使设计参数取值满足规范要求外，还考虑了线形协调性等。
附图说明
图1为本发明的高速公路A型单喇叭互通设计标准化的方法流程图；
图2为本发明的A型单喇叭互通匝道类型示意图；
图3为本发明的A型单喇叭互通式立交标准化线元组合示意图；
图4为本发明实施例1环圈匝道线元组合1和组合2所占比例；
图5为本发明实施例1环圈匝道平面设计参数统计结果。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述：
如图1所示，本发明一种高速公路A形单喇叭互通设计标准化的方法包括以下步骤：
(1)搜集大量A型单喇叭互通设计资料(如100座)。
(2)将A型单喇叭互通的匝道分为环形匝道、半直连匝道、直连匝道和连接匝道四种类型，详见图2所示。
(3)为各类型匝道拟定两种线元组合方式，分别记为线元组合1和线元组合2，最后分别统计各类型匝道线元组合1和线元组合2所占比例，将比例较大者确定为标准化线元组合方式，并得到A型单喇叭互通标准化模型，详见图3所示。
(4)根据互通设计参数之间的约束关系，将其划分为独立参数、非独立参数和控制参数三种类型，其中，独立参数和非独立参数可以实现设计标准化，而控制参数则是用于检验设计标准化参数的合理性。因非独立参数可根据独立参数确定且独立参数中匝道设计速度往往设计前就已经确定，因此将A型大喇叭互通标准化参数确定为圆曲线半径和缓和曲线参数。
(5)基于步骤(1)收集的设计资料，统计分析A型单喇叭互通标准化模型中各匝道圆曲线半径和缓和曲线参数的取值范围；基于统计结果，引入遗传算法对圆曲线半径和缓和曲线参数进行优化；最后将优化结果按5的倍数调整确定为标准化参数推荐值。
(6)根据设计条件选用标准化参数推荐值。
下面以A型单喇叭互通的环形匝道为例，进行该方法的说明，其具体过程如下：
实施例1：
(1)确定A型单喇叭互通环形匝道标准化线元组合方式
先收集了100座A型单喇叭互通的设计资料，包括互通设计说明，平面图、总体图、纵断面图和标准横断面图等。互通设计资料主要由设计院处获取，各设计院或具有工程设计综合甲级资质，或是各省交通运输行业的省设计院，基本可以代表国内互通设计的顶尖水平以及互通设计参数的选用习惯。
(2)将A型单喇叭互通的匝道分为环形匝道、半直连匝道、直连匝道和连接匝道四种类型。
(3)结合设计资料，为环形匝道拟定两种线元组合，详见表1:
表1 A型单喇叭互通线元组合方式
Figure BDA0002352168860000051
统计环形匝道线元组合1和线元组合2所占比例，统计结果如图4所示。由统计结果可知环形匝道中线元组合1约占86％，说明设计人员会优先采用此种线元组合方式，因此可将其作为环形匝道标准化线元组合。确定的A型单喇叭互通各匝道标准化线元组合示意图如图3所示。
(4)根据互通设计参数之间的约束关系，将其划分为独立参数、非独立参数和控制参数三种类型，其中，独立参数和非独立参数可以实现设计标准化，而控制参数则是用于检验设计标准化参数的合理性。因非独立参数可根据独立参数确定且独立参数中匝道设计速度往往设计前就已经确定，因此将A型大喇叭互通标准化参数确定为圆曲线半径和缓和曲线参数，A型单喇叭互通参数分类详见表2。
表2 A型单喇叭互通参数分类表
Figure BDA0002352168860000061
(5)确定A型单喇叭互通环形匝道标准化参数推荐值
A型单喇叭互通环形匝道标准化参数推荐值确定方法主要包括：参数统计分析确定参数优化范围、参数优化、参数调整确定标准化参数推荐值。
A.参数优化范围确定。根据步骤(1)，环形匝道需要优化的设计参数为A1、R1、A2。因设计参数取值与设计速度有关，因此应先确定设计速度。分析收集的设计资料可知，A型单喇叭互通各匝道设计速度多采用40km/h，因此统计时剔除设计速度不是40km/h的匝道。图5为环形匝道A1、R1、A2的统计结果，矩形上下边分别代表75％分位数和25％分位数，将其确定为A1、R1、A2的取值范围，即A1、R1、A2的取值范围分别为[70,80]、[52,60]、和[85,100]。按上述步骤确定的其他匝道参数优化范围见表3。
表3其他匝道参数优化范围
Figure BDA0002352168860000071
B.参数优化
遗传算法基本参数的确定根据一般取值确定即可。本发明遗传算法基本参数详见表4，迭代次数可取200次。
表4遗传算法参数选用表
Figure BDA0002352168860000072
环形匝道目标优化函数：
Max(fitvalue(i))＝500-(Ls1(i)+Ls2(i)+Lr(i)) (1)
式中：i—为迭代次数；
Ls1(i)、Ls2(i)—第i次迭代中缓和曲线1和缓和曲线2长度；
Lr(i))—第i次迭代中圆曲线长度；
Max()—最大值函数。
根据规范要求和行车安全需求确定参数优化时的约束条件。包括最小圆曲线半径、缓和曲线最小长度、缓和曲线最小参数、最大纵坡等、缓和曲线偏角、线形协调性、行车视距等。环圈匝道及其他匝道约束条件详见表5。
表5环圈匝道及其他匝道约束条件
Figure BDA0002352168860000073
Figure BDA0002352168860000081
注：R大、R小分别表示卵形曲线中大圆和小圆的半径。
完成上述参数设定后便可采用遗传算法对环形匝道进行参数优化并确定环形匝道A1、R1、A2的优化结果。
C.确定各参数设计标准化推荐值
根据步骤(3)得到环形匝道A1、R1、A2优化结果，如表6所示，那么各设计参数将优化结果按5的整数倍取整后，环形匝道A1、R1、A2推荐值见表7所示。
表6环形匝道A1、R1、A2优化结果
Figure BDA0002352168860000082
表7环形匝道A1、R1、A2推荐值
Figure BDA0002352168860000083
重复步骤5可得到其他匝道标准化参数推荐值，其他匝道标准化参数推荐值详见表8～表10。
表8半直连式匝道标准化参数推荐值
Figure BDA0002352168860000084
表9连接匝道标准化参数推荐值
Figure BDA0002352168860000085
表10直连式匝道标准化参数推荐值
Figure BDA0002352168860000091
(6)根据设计条件选用标准化参数推荐值
环形匝道标准化参数较为固定，直接根据表7给出的环形匝道标准化参数推荐值进行平面设计绘图即可。半直连式匝道标准化参数也较为固定，可直接根据表8确定。直线式匝道和连接匝道标准化参数取值与交叉角度、高差有关，设计时可根据确定的交叉角度和高差，由表9和表10确定相应设计参数取值。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种高速公路A型单喇叭互通设计标准化的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)收集A型单喇叭互通设计资料；
(2)对A型单喇叭互通匝道类型分类；
(3)分析各类型匝道线元组合方式，构建A型单喇叭互通标准化模型；
(4)匝道设计参数分类，确定A型单喇叭互通标准化参数；
(5)确定标准化参数推荐值；
(6)根据设计条件选用标准化参数推荐值。
2.如权利要求1所述的一种高速公路A型单喇叭互通设计标准化的方法，其特征在于，步骤(1)中互通设计资料包括互通设计说明书、平面图、总体图、纵断面图和标准横断面图。
3.如权利要求1所述的一种高速公路A型单喇叭互通设计标准化的方法，其特征在于，步骤(2)中A型单喇叭互通匝道共有5条，包含1条环形匝道、1条半直连匝道、1条连接匝道和2条直连匝道。
4.如权利要求3所述的一种高速公路A型单喇叭互通设计标准化的方法，其特征在于，步骤(3)中构建A型单喇叭互通标准化模型的具体方法如下：
为5条匝道拟定2种线元组合方式，分别记为线元组合1和线元组合2；基于步骤(1)收集的设计资料，分别统计各类型匝道线元组合1和线元组合2所占比例，并将比例大者确定为标准化线元组合方式；A型单喇叭互通5条匝道标准化线元组合方式相互组合即得到A型单喇叭互通标准化模型。
5.如权利要求3所述的一种高速公路A型单喇叭互通设计标准化的方法，其特征在于，步骤(4)中匝道设计参数包括独立参数、非独立参数和控制参数三种类型，独立参数包括设计速度、圆曲线半径和缓和曲线参数；非独立参数包括横断面参数、变速车道长度、圆曲线超高和圆曲线加宽；控制参数包括线形组合协调性、纵坡、竖曲线半径、鼻端设计参数和视距。
6.如权利要求3所述的一种高速公路A型单喇叭互通设计标准化的方法，其特征在于，步骤(5)中标准化参数推荐值包括圆曲线半径和缓和曲线参数。
7.如权利要求6所述的一种高速公路A型单喇叭互通设计标准化的方法，其特征在于，圆曲线半径和缓和曲线参数的确定方法如下：
A.基于步骤(1)收集的设计资料，统计步骤(3)确定的A型单喇叭互通标准化模型中各匝道圆曲线半径和缓和曲线参数的取值范围，用箱线图分析各参数取值范围，各参数取值范围的上下限分别为该参数的75％分位数和25％分位数；
B.采用遗传算法对圆曲线半径和缓和曲线参数进行优化，包括确定遗传算法基本参数取值，目标优化函数和约束条件；查阅相关文献确定基本参数取值，按遗传算法基本参数一般取值选用；目标优化函数为匝道长度；约束条件包括相关规范规定和安全行车需求；先优化环形匝道，并将环形匝道优化结果作为半直连匝道和连接匝道的接线条件；
C.互通式立交在设计时把参数调整为5的倍数，遵循此原则对优化结果进行调整，确定为各匝道各平面设计参数的推荐值。
8.如权利要求1所述的一种高速公路A型单喇叭互通设计标准化的方法，其特征在于，步骤(6)中设计条件包括设计速度、高差和交叉角度。
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