2017, Vol. 49
2. 东南大学 土木工程学院 江苏 南京 210000
2. School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210000, China
近年来，由于城市汽车保有量剧增，大中城市内部在高峰期出现拥堵的现象日益严重.城市道路中交叉口又是城市道路的交通瓶颈，交叉口事故的发生占城市事故发生的一半，由于交叉口拥堵造成的延误约为总延误的1/3[1-2].基于交叉口在城市道路交通中的重要性，国内外专家学者对交叉口进行了具体的分析，其中左转车流对交叉口交通的影响最为明显，平面交叉中左转车流比例对交叉口通行能力有着重要的影响，消除交叉口左转车流能够一定程度上改善交叉口的交通情况[3-4].但目前针对消除左转主要采用的是在信号交叉口设置专门的左转相位[5]或用立体交叉代替平面交叉，但专门设置左转相位会增加信号周期与红灯时长，降低了通行效率[6].而全立体交叉会增加城市道路用地面积以及城市道路的造价.
本文基于在平面交叉口消除左转车流的思想，拟建立将左转车流进行立交的斜拉式环形半立交.该种立交方式将左转车流从交叉口分离，减少了交叉口冲突点的数量，并采用斜拉模式，减少了立交桥在交叉口的墩柱，大大降低了对行车视距的影响.本文在对该种交叉口进行概念设计的基础上，采用微观仿真软件PTV-VISSIM分析输出行程时间与延误时间，在同等条件下与不设置半立交的路口进行对比分析.
1 十字交叉口交通特性分析通过对无信号十字交叉口的交通流线分析发现十字交叉口冲突点总数为32个[7].两相位信号控制是指在一个信号周期内交换两次通行权(如图 1).根据我国交通规则，两相位信号控制时，同一方向直行车流与左转车流在同一相位行驶，右转车流不设置信号灯，绿灯时，左转车流可以在不影响直行车流的情况下进行穿插行驶[8].
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图 1 两相位信号控制图 Figure 1 Two-phase signal control chart |
在两相位信号控制时，两交叉道路的车流通过信号灯隔开，其路口交叉点(不计入分流合流)情况如图 2，此时交叉口相交点只有两个，相比无信号控制的交叉口相交点大大减少.
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图 2 一个相位情况下相交点流线 Figure 2 A phase of the intersection point of the flow line |
在两相位控制的基础上，如果消除左转车流的影响，在十字交叉口理论上将不存在相交点，交通情况将得到很大的改善.
2 斜拉式半立交初步设计 2.1 斜拉式半立交的提出斜拉式半立交即将左转车流进行环形立交(相当于将环形交叉口环岛上移至一定高程)，同时左转环形立交采用中间设立斜拉索塔斜拉环形立交.
通过对两相位信号控制十字交叉口的分析发现消除左转将会使得交叉口的交通环境得到很大改善，因此本文基于消除左转的思想提出斜拉式半立交(如图 3).
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图 3 斜拉式半立交立体图 Figure 3 Trapezoidal semi-collapsing three-dimensional illustration |
图中交叉口中间建立斜拉索塔斜拉左转环形车道，左转车辆通过左转车道上升至环形立交并与在环形交叉口中行驶方向相同，绕环形立交逆时针行驶至出口.
2.2 斜拉式半立交设计 2.2.1 左转车道设计根据城市道路设计规范[9]规定，道路纵坡不宜小于0.5%，道路最大纵坡限制见表 1.在本文拟建立的斜拉式半立交中，左转车道逐渐上升至环形立交的高度6 m, 其纵坡度采用3%，左转车道桥墩采用双支座独柱墩，增加桥下净空.
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表 1 最大纵坡度 Table 1 Maximum longitudinal slope |
本文拟建立的环形立交相当于环形交叉口的绕岛行驶，其内半径即可视为环形交叉口环岛半径，根据城市道路设计规范规定，环形交叉口最小环岛半径限制如表 2.本文拟建立的左转环形立交采用内半径37.5 m, 外半径45 m，车道宽度为7.5 m.
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表 2 环形交叉口中心岛最小半径 Table 2 Maximum longitudinal slope |
本文拟建立的斜拉式半立交具有的优势有：1)将左转车流从交叉口中分离，减少了交叉口冲突点：减小了车辆发生大角度碰撞的可能；减少了车辆排队，增加通行能力，减少车辆延误；2)左转环形立交采用斜拉式，减少了桥墩的数量，对行车视距影响较小，保证行车安全.3)左转进行环形立交增加了直行车辆的实际绿灯时长，较普通平交路口相比增大了交叉口的通行效率.
3 PTV-VISSIM仿真分析 3.1 PTV-VISSIM仿真流程及基础数据 3.1.1 VISSIM仿真流程PTV-VISSIM微观仿真所需要的基本数据包括：车道布置及宽度、交通构成、交通量及交通量分配以及信号灯配时情况，其仿真过程分为4个步骤[10]：
1) 根据设计情况布置路网背景平面图，布置车道及路段连接；
2) 设定交通构成情况及每个路口交通组成与分配；
3) 设定交叉口信号灯形式及配时；
4) 设定输出结果类型并运行仿真.
3.1.2 VISSIM仿真基础数据本文拟建立的仿真分析中基础数据为：车道为双向6车道，单车道宽度为3.75 m；交通构成考虑城市交通情况采用：小汽车0.88，客车0.1，货车0.02；仿真建模采用两主路相交，交通量均采用左转500辆/h、直行400辆/h、右转400辆/h；信号灯采用两相位信号控制，信号周期120 s，绿灯时间45 s，黄灯3 s，相交道路绿灯间隔10 s.
3.2 仿真分析本研究在基于基本数据及道路平面图(如图 4，半径R为45 m)建立两次仿真分析，分为普通两相位信号控制十字交叉口仿真分析与斜拉式半立交两相位信号控制十字交叉口仿真分析，输出仿真评价文件为4个方向直行道路、4个左转道路行程时间及平均延误时间评价值.在仿真结果中，输出开始时间为120 s(前期车辆未进入交叉口)，记录时间间隔30 s.
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图 4 仿真分析路网背景平面图 Figure 4 Simulation of road network background plan |
假设车辆进入路网后各行其道，不进行车道变换；不考虑行人及非机动车的影响；车辆在交叉路口不允许进行掉头，掉头需行驶出交叉口路网.
3.2.2 两相位信号控制十字交叉口仿真分析在本研究中，十字交叉路口采用两相位信号控制，在一个信号周期内交换两次通行权，第一相位为东西道路直行与左转，第二相位为南北道路直行与左转，所有右转车流不设置信号灯，根据所有基础设计建立仿真路网如图 5，仿真运行如图 6.
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图 5 仿真路网 Figure 5 Simulation road network |
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图 6 仿真运行 Figure 6 Simulation run |
在运行仿真后，输出文件包含4个直行道路行程时间(如表 3)、4个左转行程时间(如表 4)及平均延误时间(如表 5).
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表 3 直行车流行程时间 Table 3 Straight travel time |
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表 4 左转车流行程时间 Table 4 Travel time of left |
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表 5 延误时间 Table 5 Delay time |
在建立斜拉式半立交后，左转车道纵坡度为3%，到达交叉口时左转车道高度为6 m，左转车流沿环形立交逆时针行驶至出口.另外，左转车流从交叉口分离出去，此时，交叉口左转车流不再由信号灯控制，两相位信号灯的第一相位为东西直行，第二相位为南北直行.其他的控制条件与两相位信号控制十字交叉口相同.根据基础数据设计仿真路网如图 8，仿真运行如图 9.
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图 7 仿真路网 Figure 7 Simulation road network |
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图 8 仿真运行 Figure 8 Simulation run |
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图 9 直行车流行程时间对比 Figure 9 Travel time contrast of straight traffic |
在运行仿真后，输出文件包含4个直行道路行程时间(如表 6)、4个左转行程时间(如表 7)及平均延误时间(如表 8).
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表 6 直行车流行程时间 Table 6 Travel time of straight traffic |
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表 7 左转车流行程时间 Table 7 Travel time of turning left traffic |
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表 8 延误时间 Table 8 Delay time |
仿真结果的对比是将两相位信号控制的十字交叉路口的仿真结果与斜拉式半立交两相位信号控制的十字交叉路口仿真结果对比，得出在建立斜拉式半立交后，在行程时间方面与延误时间方面得到改善的程度.
4.1 直行车流行程时间对比两次仿真结果对比如图 9.通过对比分析可以明显看出：在设立斜拉式半立交后，各直行方向的行程时间均有明显降低.
4.2 左转车流行程时间对比两次仿真结果对比如图 10.虽然斜拉式半立交左转车流绕行距离变大但是由于左转分离出交叉口减少了左转车流与直行车流的冲突, 通过对比分析可看出在建立斜拉式半立交后左转车流行程时间依然得到了巨大改善.
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图 10 左转车流行程时间对比 Figure 10 Travel time contrast of turning left traffic |
两次仿真结果对比如图 11.
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图 11 延误时间对比 Figure 11 Contrast of delay time |
通过对比分析可以看出，建立斜拉式半立交后，直行车流与左转车流的延误均得到了改善，左转车流改善程度较直行车流改善程度较高，这是由于左转车流在斜拉式半立交中不存在与直行车流的冲突点.
5 结论通过分析，本文建立的半立交有利于增加交叉路口的通行能力及行车安全性，斜拉式的设计有利于减少交叉口桥墩数量，增加行车视距，保证了行车安全性，同时桥梁造价要低于全立交设计.但是，本文建立的半立交相比平面交叉占地面积稍大，造价更高.
总而言之，本文建立的斜拉式半立交是介于平面交叉与立体交叉之间的一种交叉模式，它的建立有助于增加交叉口通行能力，降低事故率且造价低于立体交叉设计.
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