I. Lựa chọn cỏc thụng số thiết kế yếu tố hỡnh học bỡnh đồ
2. Thiết kế đường cong nằm
2.1 Lựa chọn bỏn kớnh đường cong nằm:
Thiết kế đường cong nằm bao gồm: lựa chọn bỏn kớnh đường cong cựng với cỏc thụng số của chỳng; bố trớ kết hợp cỏc đường cong với nhau.
Theo quan điểm an toàn cho xe chạy thỡ việc lựa chọn bỏn kớnh cũng như kết hợp cỏc bỏn kớnh đường cong nằm trờn bỡnh đồ đều phải thỏa món cỏc tiờu chuẩn an toàn.
Đường cong được thiết kế với bỏn kớnh lớn sẽ tạo khả năng để xe chạy cú tốc độ khai thỏc V85 cõn bằng với tốc độ thiết kế và đạt được chất lượng thiết kế tốt theo cỏc tiờu chuẩn an toàn từ I đến III. Nhưng cũng cần hiểu rằng cỏc đường cong cú bỏn kớnh rất lớn cú thể sẽ thuận lợi hay khụng thuận lợi khi ỏp dụng cỏc đoạn thẳng dài độc lập.
Cỏc đường cong ngắn đặt giữa hai đoạn thẳng dài sẽ làm xuất hiện một đoạn thắt lại của đường. Do đú theo quan điểm an toàn sẽ khụng được chấp nhận khi thiết kế. Khi gúc giữa hai đoạn thẳng α < 8° thỡ chiều dài của đường cong K khụng được nhỏ hơn 200m. Ở Úc qui định K khụng nhỏ hơn 500m.
Việc lựa chọn bỏn kớnh cong R trờn bỡnh đồ sẽ quyết định hoặc ảnh hưởng lớn đến tốc độ khai thỏc V85 cũng như mức độ thay đổi tốc độ giữa cỏc đoạn đường, độ chờnh lệch giữa tốc độ thiết kế và tốc độ xe chạy thực tế. Bỏn kớnh và cỏc thụng số của đường cong sẽ xỏc định cỏc chỉ tiờu về độ cong (DC), mức độ thay đổi ngoặt (CCRs) và cỏc trị số siờu cao (e%), hệ số lực ngang (fR) được lựa chọn khi thiết kế. Ngược lại với cỏc chỉ tiờu về an toàn giao thụng người ta cú thể đưa ra cỏc qui định để lựa chọn cỏc trị số bỏn kớnh tối thiểu, phương phỏp bố trớ kết hợp với cỏc đường cong trũn v.v…
Trờn cỏc đường ụ tụ và đường ngoại ụ thành phố bỏn kớnh tối thiểu của đường cong trũn được xỏc định trờn cơ sở xem xột khả năng động học của ụ tụ. Bỏn kớnh tối thiểu được lựa chọn theo tiờu chẩn an toàn I với sự phự hợp với tốc độ thiết kế Vd và được ghi trong bảng 3.2 phụ thuộc vào loại đường
Bảng 3.2. Bỏn kớnh tối thiểu Rmin (m)
Vd, km/h Đường ụ tụ (nhúm A) Vd Đường ngoại ụ thành phố (nhúm B) Đồng bằng Đồi nỳi 40 45 50 85 95 50 70 60 125 140 60 110 80 250 280 70 160 100 425 480* 80 225 120 650 740* 90 300 Ghi chỳ: * Khụng ỏp dụng trờn đường cú độ dốc dọc lớn Rmin của đường nhúm A ứng với e% = 8-9%, hệ số lực bỏm n = 0.45; nhúm B e% = 7%, n = 0.4 Vd= tốc độ thiết kế (Km/h).
Nếu sử dụng trị số Rmin ở bảng trờn để thiết kế phối hợp hai đường cong cú thể khụng thỏa món cả ba tiờu chuẩn về an toàn giao thụng. Vỡ thế trong thực tế cú thể lựa chọn bỏn kớnh lớn hơn bỏn kớnh tối thiểu bằng cỏch thay đổi độ dốc siờu cao (e%) . hỡnh 3.7
a) emax=7%, n = 0,4; emin=2,5%, n = 0,4. b) emax=8(9)%, n=0,45; emin=2,5%, n=0,1.
Ngoài những qui định về trị số bỏn kớnh đường cong nằm tối thiểu Rmin thỡ đường cong phải cú chiều dài đủ để cú thể cho lỏi xe cho ụ tụ đi qua đường cong với tốc độ thiết kế. Muốn vậy, chiều dài tối thiểu của đường cong phải tương ứng với thới gian xe chạy lớn hơn 2 giõy ( Kmin ≥ 2.Vd/3,6; V tớnh bằng Km/h).
Bảng 3.3: Chiều dài tối thiểu đường cong trũn (Kmin) (m)
Vd (Km/h) Kmin (m) 50 30 60 35 70 40 80 45 90 50 100 55 120 65
Khi liờn kết cỏc đoạn thẳng dài (độc lập) với đường cong chuyển tiếp và đường cong trũn (Đoạn thẳng – đường cong chuyển tiếp – đường cong trũn) thỡ bỏn kớnh tối thiểu của đường cong trũn được xỏc định phụ thuộc vào tốc độ khai thỏc trờn đoạn đường thẳng V85T như sau:
Bảng 3.4: Bỏn kớnh tối thiểu Rmin theo tốc độ khai thỏc trờn đoạn thẳng
V85T Rmin
V85T < 105km/h Rmin ≥ 400m V85T > 105km/h Rmin ≥ 500m
Trờn quan điểm thị giỏc và an toàn, CHLB Đức cũn quy định quan hệ giữa chiều dài đoạn thẳng L (m) và bỏn kớnh đường cong R (m) nối tiếp với đường thẳng đú như đồ thị hỡnh 3.8
Núi chung, quan hệ tối thiểu là: - Nếu L ≤ 500m thỡ R ≥ L - Nếu L > 500m thỡ R ≥ 500m
Hỡnh 3.8. Quan hệ phối hợp giữa chiều dài đoạn thẳng và bỏn kớnh đường cong
Trong trường hợp nếu bắt buộc phải sử dụng cỏc bỏn kớnh tối thiểu với chiều dài đường cong tối thiểu khụng đạt được yờu cầu mong muốn theo điều kiện bảo đảm an toàn khi kết hợp cỏc đường cong nằm thỡ cần phải cú biện phỏp giảm nhẹ nguy hiểm bằng cỏch cải tạo tầm nhỡn tại cỏc đường cong này.
Từ những nghiờn cứu và phõn tớch, cỏc nước đó rỳt ra kết luận đối với đường ụ tụ hai làn xe khi lựa chọn bỏn kớnh đường cong nằm theo quan điểm an toàn xe chạy như sau:
- Tăng cỏc bỏn kớnh đường cong nằm sẽ giảm bớt nguy hiểm do tai nạn giao thụng;
- Cỏc đường cong cú bỏn kớnh R > 200m cú hệ số tai nạn tăng gấp hai lần so với cỏc đường cong cú bỏn kớnh R > 400m;
- Bỏn kớnh R = 400m là “ ngưỡng an toàn” và với cỏc đường cong cú bỏn kớnh R > 400m thỡ hệ số tai nạn giảm khụng đỏng kể. Điều này cú nghĩa là cỏc đường cong được thiết kế với bỏn kớnh lớn hơn 400m là cú thể bảo đảm về mặt an toàn.
2.2. Thiết kế kết hợp giữa cỏc đường cong:
Cú thể kết hợp hai hoặc ba đường cong trũn cựng chiều hay ngược chiều với nhau. Khi liờn kết hai đường cong cú thể sử dụng cỏc biểu đồ của cỏc nước lập ra trờn cơ sở ba tiờu chuẩn an toàn nhưng cần lưu ý rằng, chỉ xem xột lựa chọn đường cong cú chiều dài đủ để đảm bảo cho xe chạy qua đường cong với tốc độ thiết kế. Chiều dài đường cong tối thiểu này tương ứng với xe chạy qua thời gian lớn hơn 2 giõy.
Đối với đường ụ tụ cụng cộng núi chung phải đảm bảo tỷ số bỏn kớnh của hai đường cong được liờn kết với nhau khụng vượt quỏ trị số từ 1,5 đến 1 (R1/R2 ≤ 1,5 – 1).
Tuy nhiờn, tỷ số bỏn kớnh mong muốn thực tế cú thể bằng 1,75 đến 1 (R1/R2 ≤ 1,75 – 1).
Khi tỷ số này lớn hơn từ 2 đến 1 thỡ chỉ sử dụng phự hợp để thiết kế đường cong con rắn hoặc cho đường cong trũn nằm giữa hai đường cong.
2.3. Thiết kế đường cong chuyển tiếp
Trong thiết kế đường ụ tụ thụng thường đường cong chuyển tiếp được sử dụng để nối đường thẳng vào đường cong trũn, nhằm mục đớch làm cho lực ly tõm (C) tăng từ từ ( từ trị số C=0 đến trị số lớn nhất trờn đường cong trũn cú bỏn kớnh R: C = mv2/R) giỳp cho xe chạy ờm thuận khi đi từ đường thẳng vào đường cong.
2.3.1Xỏc định chiều dài của đường cong chuyển tiếp và cỏc điều kiện ỏp dụng:
Một yờu cầu cơ bản khi xỏc định chiều dài của đường cong chuyển tiếp là phải thỏa món điều kiện sao cho lực ly tõm tăng từ từ, khụng gõy cảm giỏc khú chịu cho hành khỏch ngồi trờn xe. Nghĩa là, trờn chiều dài của đường cong chuyển tiếp độ tăng gia tốc ly tõm I khụng được vượt quỏ trị số cho phộp khiến người đi xe cú cảm giỏc khú chịu. Điều kiện này ta cho là điều kiện đầu tiờn.
Điều kiện tiếp theo ( điều kiện thứ 2) là, trờn chiều dài đường cong chuyển tiếp phải thực hiện việc chuyển từ trắc ngang 2 mỏi trờn đường thẳng dần dần thành trắc ngang một mỏi khi đi vào đường cong cú bỏn kớnh nhỏ phải bố trớ siờu cao. Theo điều kiện này thỡ Lct ≥ Lnsc.
Ngoài hai điều kiện trờn, đối với đường ụ tụ cú tốc độ cao thỡ chiều dài đường cong chuyển tiếp phải được lựa chọn sao cho tuyến được hài hũa, ờm thuận và đều đặn trong khụng gian, đạt được độ bằng phẳng về mặt quang học. Đõy là điều kiện thức ba. Theo điều kiện này thỡ chiều dài đường cong chuyển tiếp thường cú trị số lớn hơn chiều dài xỏc định theo điều kiện bảo đảm cho gia tốc ly tõm tăng từ từ.
- Chiều dài tối thiểu của đường cong chuyển tiếp thỏa món điều kiện thứ nhất:
Với I=0,5 m/s3 ta cú:
Như vậy, ứng với mỗi tốc độ thiết kế, nếu bỏn kớnh đường cong được thiết kế cú trị số lớn thỡ đường cong chuyển tiếp tớnh theo điều kiện gia tốc ly tõm tăng khụng cũn mấy ý nghĩa vỡ chiều dài của nú tớnh được quỏ ngắn. Vỡ thế với cỏc bỏn kớnh cong R lớn, việc quy định xõy dựng đường cong chuyển tiếp nhằm thỏa món mục đớch khỏc như: bảo đảm sự đều đặn quang học của tuyến trong khụng gian. Núi chung, để đảm bảo độ đều đặn, bằng phẳng về mặt thị giỏc khi đi trờn đường cong chuyển tiếp thỡ gúc ngoặt của tuyến phải khụng nhỏ hơn 3o
và chiều dài đường cong chuyển tiếp khụng nhỏ hơn ẳ chiều dài đường cong trũn cơ bản.
- Chiều dài của ĐCCT cũn được xỏc định từ điều kiện thời gian hành trỡnh trờn ĐCCT. Với lỏi xe cú trỡnh độ chuyờn mụn trung bỡnh thỡ thời gian này bằng 3s và ta được cụng thức Lct = 3.v = 0,83V (m). Như vậy chiều dài đường cong chuyển tiếp tăng cựng với bỏn kớnh đường cong trũn R tăng.
2.3.2Thiết kế và tớnh toỏn đường cong Clothoid:
Đó cú nhiều nghiờn cứu thực nghiệm về quỏ trỡnh cảm thụ thị giỏc của lỏi xe khi xe đang chạy trờn đường, người ta đó dựng hỡnh phối cảnh của từng đoạn tuyến và xõy dựng phương phỏp thiết kế khụng gian cho đường ụtụ. Kết quả cho thấy rằng, tuyến được cấu tạo bởi cỏc đường cong Clothoid liờn kết với nhau và liờn kết với cỏc đường cong trũn sẽ tạo thành một tuyến đường trong khụng gian thoả món tốt nhất về độ bằng phẳng quang học, ờm thuận về mặt thị giỏc, lỏi xe cú thể yờn tõm cho xe chạy an toàn với tốc độ cao, tuyến đường uốn lượn một cỏch hài hoà theo địa hỡnh khụng phỏ vỡ cảnh quan, đi qua được những vị trớ mong muốn, và từ chỗ được một tuyến “cứng” nay đó trở thành một tuyến “mềm” lượn theo địa hỡnh.
Hỡnh 3.9. Sử dụng đường cong Clothoid trong thiết kếđường.
Phương phỏp thiết kế tuyến coi đường cong clothoid là một yếu tố độc lập với đường thẳng và đường cong trũn và cỏc nguyờn tắc kết hợp giữa cỏc yếu tố này với nhau gọi là phương phỏp thiết kế tuyến clothoid, đặc biệt thớch hợp để thiết kế bỡnh đồ cỏc đường ụ tụ cấp cao, đường cao tốc.
Bằng phõn tớch hỡnh học và từ kinh nghiệm thiết kế đường ụ tụ cấp cao, đường cao tốc ở trong nước và nước ngoài trong nhiều năm, người ta rỳt ra những nguyờn tắc lựa chọn chiều dài và thụng số A bố trớ đường cong clothoid như sau:
1. Yờu cầu từ động lực học chạy xe: Bảo đảm gia tốc ly tõm tăng từ từ trờn suốt chiều dài ĐCCT cho đến một trị số nhất định vào đường cong cơ bản.
2. Yờu cầu từ bố trớ đoạn nối siờu cao: Bảo đảm trờn ĐCCT thực hiện được đoạn nối siờu cao để chuyển đều đặn từ trắc ngang hai mỏi sang trắc ngang một mỏi cú độ dốc bằng độ dốc siờu cao.
3. Yờu cầu từ thụ cảm quang học: Để đảm bảo thụ cảm quang học tức là đảm bảo thụ cảm đều đặn về mặt thị giỏc thỡ thụng số A của đường cong phải thỏa món 1/3R ≤ A≤ R. Vỡ chiều dài đường cong chuyển tiếp L = A2/R, từ đú suy ra 1/9R ≤ L≤ R. Như vậy bỏn kớnh đường cong càng lớn thỡ chiều dài đường cong clothoid càng dài.
Cú thể tham khảo quy định Amin của CHLB Đức như sau:
Bảng 3.5: Trị số tối thiểu Amin theo tốc độ thiết kế
Tốc độ thiết kế, Vd (km/h) Trị số Amin (m) 50 30 60 40 70 60 80 80 90 110 100 150(120) 120 240(120)
4. Yờu cầu về thời gian phản ứng khi thao tỏc của lỏi xe: Với lỏi xe cú trỡnh độ chuyờn mụn trung bỡnh thỡ thời gian này bằng 3s và ta cú L = 0,83V (m).
5. Bỏn kớnh đường cong trũn khụng bố trớ đường cong chuyển tiếp clothoid: Sau khi bố trớ đường cong chuyển tiếp nối với đường cong trũn thỡ sinh ra độ dịch chuyển p, nếu p quỏ nhỏ thỡ cú thể khụng cần đoạn đường cong clothoid vỡ đó thỏa món được quỏ trỡnh xe chạy trờn ĐCCT. Giỏ trị p này theo nghiờn cứu ở nước ngoài như sau:
- Trung Quốc : p ≤ 0,07-:-0,08 m - Mỹ : p ≤ 0,305 m - Sộc : p ≤ 0,25 m...
Theo tiờu chuẩn Trung Quốc khi độ dịch p ≤ 0,07-:-0,08 m và t ≥3 s thỡ tớnh toỏn được cỏc bỏn kớnh đường cong trũn khụng cần bố trớ ĐCCT 5.500m; 4.000m; 2.500m và 1.500m tương ứng với tốc độ thiết kế 120km/h; 100km /h; 80km/h và 60km/h.
Tuy nhiờn cỏc giỏ trị tớnh theo p này ch ỉ là tham khảo cựng hàng loạt cỏc yờu cầu về quang học, địa hỡnh, tổ hợp cỏc đường cong, ... quyết định đến việc bố trớ và tớnh toỏn ĐCCT.
2.3.3Cỏc dạng cơ bản của đường cong clothoid: