钢格栅混合铺装路面在大坡度立交桥中的应用

摘要：在城市化和机动车交通快速发展的今天，平面交叉口处的拥堵问题，已严重阻碍了城市经济和交通的快速发展。为了解决城市平交路口的严重拥堵问题，本文提出了使用“钢格栅混合铺装路面”的大坡度立交桥，大幅度降低了立交桥的占地面积，使平交路口全面实施立交改造成为可能。

钢格栅铺装路面具有较好的抗滑性、通透性和强度大等优点，沥青路面具有噪声低、行驶舒适等优点，“钢格栅混合铺装路面”技术首次将二者的优点融合，提出了适合大坡度路面的铺装结构。“钢格栅混合铺装路面”一方面实现了晴天时车辆可以在沥青路面上舒适的行驶；另一方面实现了雨雪等恶劣天气时，车辆可以在抗滑性好的钢格栅铺装路面上安全的行驶。在大坡度的情况下，“钢格栅混合铺装路面”具有全天候、安全和舒适的特性，同时该路面具有提醒驾驶员车道偏离、降低路面扬尘等优点，对城市主干道采用大坡度立交桥改造实现主通道的“绿波交通”具有重大意义。

关键词：道路拥堵、大坡度、立交桥、钢格栅、混合铺装

1引言

据公安部交管局统计，全国有94个城市的汽车保有量超过百万辆，与2022年相比增加10个城市，其中43个城市超200万辆，25个城市超300万辆，成都、北京、重庆、上海、苏州等5个城市超过500万辆。据百度地图发布的《2023年度中国城市交通报告》，通过大数据客观反映了100个主要城市的交通变化态势。报告指出，2023年公众出行热度大幅上升，城市交通更为拥堵繁忙。在通勤高峰交通拥堵榜中，北京、重庆、广州位列前三；在通勤时耗榜上，北京、上海、南京位列前三；在通勤距离榜上，北京、重庆、上海位列前三。报告还指出，百城中86%的城市通勤高峰交通拥堵指数同比上涨，平均涨幅为7.17%。城市道路拥堵程度日益严重，已经严重降低城市居民的生活质量。

据统计，机动车在市区行驶的时间里有30%都花费在了交叉口上[1]。目前，提高交叉口通行能力和效率的改善措施主要有道路工程改造、交通组织优化和渠化、信号控制管理、交通需求管理等[2]。道路工程改造主要是通过改变路口的形状、拓宽进口道宽度等，进而提高交叉口的通行能力[3]。交通组织和渠化以及信号控制管理的目的是在时空上将车流进行重新分布，减少各方向上车流运行之间的冲突问题，使车辆运行更为有序和安全[4,5]。而交通需求管理是对交通结构进行调整，减少不必要的交通出行需求，进而降低交叉口的交通压力，达到缓解交通的目的[6]。对平交路口拥堵改善最明显的是立交桥改造方案，可以完全消除不同方向之间车流的冲突问题，但立交桥占地面积较大难以大面积实施[7]。本文主要对立交桥的铺装路面进行研究，采用钢格栅路面提高立交桥的坡度来减少其占地面积，使平交路口可以全面实施大坡度立交的改造，从而打造畅通城市。

2城市拥堵分析

2.1交通流不宜分流

由于“宽马路—大街区—稀路网”的布局模式导致城市交叉口间距过大，需要转弯的车辆不能及时完成转向，导致路段流量叠加。流量叠加是指从A到B时需要完成转向，但由于交叉口间距过长，车辆不能及时完成转向，与直行流量叠加，增加了路段的交通压力。在早高峰时段（7:30～8:30）流量叠加效应突显明显，不仅增加道路的交通压力，而且使交叉口的信号周期变长，近一步加剧交通拥堵的程度。交叉间距过大的路口由于汇集的交通量较大，普通的改善措施效果并不明显，而采用立交桥可以明显改善路口的拥堵现状。

2.2微循环不通畅

微循环指微动脉和微静脉之间的血液循环，是血液与组织细胞进行物质交换的场所。如果把城市比作是人体，那么城市路网相当于血管网，不同的小区好比人体的器官，每个小区担负着不同的功能，共同依靠城市路网来满足人们日常生活的需要。毛细血管的数量和总长度非常大，流经方向大致相同，但进、出组织的血管口众多，且只能单向流通，这就保证了血液流经组织时的高效性和顺畅性。与血液微循环不同的是，城市次干路和支路所占比例较小，且城市内部的小区处于封闭状态，车辆无法直接穿越小区，导致路网的连通性较差，微循环不通畅，从而影响城市主要路网的通行能力，容易引起交通拥堵。

2.3城市平面交叉口通行能力低

造成交通拥堵的不是路网通行能力不够，而是点状散布在路网中的平交路口，其低下的通行能力使城市路网的通行效能不能充分发挥，平交路口极大的限制了车流通行的顺畅性。传统桥梁建造技术因受到现行的规范、交叉口空间、间距等的限制，难以将所有路口全面实施改造，若仅对满足空间条件的路口实施改造又会给下游未能改造的路口带来更大的交通压力。不少城市采用在城市路网主干线上方修建高架路的方法来解决拥堵问题，因其出入口数量有限，时常会因出口车辆的尾巴效应而拥堵，且投资大、建设周期长，在建设周期内因断交反而会加剧周边区域的交通拥堵。

钢格栅混合铺装路面技术，彻底解决了上述的难题，该技术充分利用钢格栅良好的通透性和抗滑性，解决了遇雨雪天气时路面的防滑问题，从而大幅提高了桥面纵坡、缩短了引桥长度和桥梁建造规模。“钢格栅混合铺装路面”技术是在每一条车道内采用沥青路面和钢格栅路面间隔分布、混合铺装的形式，既实现了晴天时车辆行驶的舒适性；又实现了雨雪等恶劣天气时车辆行驶的安全性，使得对平交路口全面实施大坡度立交改造成为可能。

3钢格栅混合铺装路面技术分析

3.1技术原理

充分利用机动车的轮距范围及钢格栅良好的承载力、通透性和抗滑性，将桥面的每条车道采用普通桥面和格栅桥面间隔分布、混合铺装的方式，如图1所示。在正常天气环境下机动车延路面指示标线轮胎沿传统桥面行驶，保证了车辆行驶时的舒适度和环境噪声；在遇恶劣雨雪天气时，机动车自由转换到相邻水平平行的格栅车道上行驶，保证了车辆在恶劣天气条件下顺畅行驶的安全性，格栅桥面下方设置了积雪空间并连接排水系统。

3.2钢格栅的性能

3.2.1钢格栅的抗滑性

以G655/40/100W型钢格栅混合铺装的车道为例，经过试验并通过国家公路及桥梁质量监督检验中心的检测，其SFC值为74，具有良好的抗滑性（钢格栅路面（带涂层）SFC检测结果如表1所示），完全满足了我国现行规范JTG D50-2017第3.0.7条规定的路面抗滑技术SFC值不小于54的要求。

表1  钢格栅路面（带涂层）SFC检测结果

3.2.2钢格栅的通透性

以G655/40/100W型钢格栅为例，其通透性（镂空上表面积与格栅表面积的比）为78.75%。实验证明：该钢格栅路面具有良好的通透性，其表面不易积雪、结冰，即便是遇极端恶劣特大暴雪或冰雨的天气，在车辆重力作用下，表面积雪或冰层会掉落到钢格栅下方的积雪槽内，其表面也不会形成冰板或雪板，如图2所示。

3.2.3钢格栅的刚度计算

以G655/40/100W型钢格栅为例，据YBT 4001.1表B.1及B.5，取6吨车后单轮荷载为24kN，轮压面积为0.2m×0.24m。因扁钢间距为40mm，轮压横向作用长度240mm，则轮压共作用于240/40=6根扁钢上，合单独一根扁钢承受荷载为P=24/6=4kN。轮压横向作用长度a=200mm，跨距取580mm。

由扁钢自重产生的挠度可忽略不计，则单根扁钢跨中最大竖向挠度为：

            （1）

完全符合我国现行规范JTG D64-2015 第8.2.5条规定在车辆荷载作用下，正交异性桥面顶板的挠跨比不大于1/700的规定。

3.2.4钢格栅的强度计算

以G655/40/100W型格栅为例，按简支梁理论进行强度计算。据YBT 4001.1第9.1.1.1小节，钢材取为Q235-B。因钢格栅为易损耗件，其设计寿命低于板梁结构，在板梁结构全生命周期内允许多次更换，故无需考虑过大设计裕度，许用应力取为屈服强度的60%，即140MPa。

由扁钢自重产生的弯曲应力可忽略不计，则单根扁钢最大弯曲应力为：

                （2）

由以上两个公式不难得出，钢格板的刚度和强度完全取决于跨度及承载扁钢的宽度、厚度和间距。

4设置大坡度立交桥的效益分析

4.1大坡度立交桥设计方案

通过对钢格栅混合铺装路面的多次摩擦及噪声试验，得到该路面的SFC值可达到73以上，具有良好的抗滑性能，并参照国内外规范，提出了积雪地区的路（桥）面纵坡的建议值，如表2和表3所示。

表2  大、小型车辆混行的路（桥）面最大纵坡

表3  小型车专用道路（桥）面最大纵坡

采用“钢格栅混合铺装路面”技术对城区交通主干线（双向六车道以上的道路）所有平交路口全部实施大坡度立交改造。由于城市内的大型车辆主要是公交车，且占比较少，而小型车爬坡能力强，固跨线桥设置为小汽车专用道，设计车速40km/h，桥梁的纵坡按10%进行设计，桥底净空4.5m，如图2所示。

4.2基于VISSIM仿真法的通行效率分析

VISSIM是德国的一款交通微观仿真模拟软件，是基于时间间隔和驾驶行为的仿真建模工具，用于城市交通和公共交通运行的交通建模。仿真中，跟车模型采用Wiedemann74心理—生理类驾驶行为模型，主要采用平均行驶延误进行评价，仿真时间设为6min。

表3  早7:30～8:30交叉口各车道流量统计（pcu/h）

通过实地调研，某交叉口的车流量及信号配时如表3和表4所示。采用以上实测的数据，对平交路口、单层跨线桥、双层跨线桥进行VISSIM仿真分析。延误检测器设置间距为265m，对平交路口、单层跨线桥、双层跨线桥方案分别建立VISSIM仿真模型，如图3所示。

表4  不同方案下路口的信号配时方案

平交路口、单跨线桥和双跨线桥桥下分别采用四相位、三相位、两相位放行，三种放行方案下对应的平均行程时间分别为169.9s、89.5s、45.2s；平均延误分别为118.2s、42.7s、12.6s；平均排队长度分别为65m、31m、6m。车辆的行驶时间、延误和排队长度从平交路口到双层跨线桥都明显降低。由此可知，对平面交叉口实施大坡度立交桥的改造对缓解城市交叉口的拥堵问题具有明显的效果。

路口间距小于400米时，建议采取沿间距较远的方向架设单层跨线桥；交叉口间距大于400米时，采用双层跨线桥，可以实现城市主干道的“绿波交通”，对解决城市主干道交通拥堵的作用巨大。车辆通过交叉口的油耗主要来自车辆的怠速和启动，通过参阅文献，可知小客车启动一次的平均油耗为27.6ml，怠速油耗为0.23ml·s-1。因此，采用大坡度跨线桥可以完全消除车辆在路口的怠速和停车启动，进而降低车辆的油耗和尾气污染物的排放。

此外，钢结构是节能、环保材料，可循环使用。该产品可以通过工厂分段模块化制作，路口快速组装；同时也可实现快速拆卸，经过适当处理后，在其他位置可以重新组装使用。当前，城市为了降低马路扬尘，不惜重金投入人力、物力，对城市道路实施反复洒水降尘，钢格栅路面的通透性接近50%，路面灰尘在车辆行驶的作用下很容易掉落到格栅下方的雨雪槽内并随雨雪排放掉，对降低马路扬尘非常有效。

5结论

交通拥堵已成为阻碍城市健康发展的一大“顽疾”，而平面交叉口又是城市交通拥堵的关键所在，如何解决平交路口运行低下的问题，一直是各国交通科研者的研究重点。由张文泉提出的“钢格栅混合铺装路面”技术，从抗滑性、通透性、刚度、强度等方面进行了论证，证明了钢格栅混合铺装路面可以大幅度提高跨线桥的坡度，从而减少了城市立交桥的占地面积，使得城市全面应用该技术对平交路口实施大坡度立交改造成为可能。对缓解城市交通拥堵和降低汽车尾气污染物排放具有重要意义。目前，“钢格栅混合铺装路面”技术正由秦皇岛轩易达路桥科技有限公司主持河北省地方标准的制定工作，使该技术在实际应用中更加规范化和流程化。

参考文献

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