Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА ПЕРВАЯ Методы назначения габаритов мостов
1.1 Состояние вопроса 8
1.2 Современные методы назначения габаритов мостов 17
Выводы по главе 1 25
ГЛАВА ВТОРАЯ Влияние габаритов мостов на режимы движения
2.1 Влияние габаритов мостов на скорости движения 26
2.2 Методика проведения экспериментов по исследованию скоростей 29
2.3 Экспериментальные исследования влияния скоростей на режимы движения по мостам 33
2.4 Имитационная модель движения транспортного потока в зоне мостов 43
2.5 Определение средних скоростей транспортного потока в зоне мостов 61
Выводы по главе 2 67
ГЛАВА ТРЕТЬЯ Влияние габаритов мостов на безопасность движения
3.1 Безопасность движения намостах 68
3.2 Анализ показателей аварийности на мостовых сооружениях 77
3.3 Экспериментальные исследования влияния габаритов мостов на психофизиологическое состояние водителей 85
Выводы по главе 3 94
ГЛАВА ЧЕТВЁРТАЯ Методика технико-экономического обоснования габаритов мостов
4.1 Разработка методики обоснования габаритов мостов 95
4.2 Разработка программного обеспечения 112
4.3 Расчет оптимальных габаритов мостов 117
Выводы по главе 4 126
Общие выводы по диссертации 127
Список литературы 129
- Современные методы назначения габаритов мостов
- Экспериментальные исследования влияния скоростей на режимы движения по мостам
- Анализ показателей аварийности на мостовых сооружениях
- Разработка методики обоснования габаритов мостов
Введение к работе
Актуальность темы. На мостовых сооружениях (мостах, путепроводах, эстакадах, виадуках - далее мостах) общая ширина проезжей части, разделительной полосы и полос безопасности определяют габарит моста по ширине Требования к габаритам мостов остаются неизменными уже в течение 30 лет и не пересматривались при разработке строительных норм и правил на автомобильные дороги и мосты (СНиП 2 05 02-85 и СНиП 2 05 03-84)
В период после разработки действующих норм на габариты мостов произошли существенные изменения в движении по автомобильным дорогам, значительно увеличились интенсивность движения и плотность транспортного потока, изменился состав транспортного потока, резко возросли динамические характеристики автомобилей Это наряду с изменениями в поведении водителей привело к резкому возрастанию скоростей движения
При строительстве новых мостов и реконструкции существующих, как правило, стали применяться высокие ограждения, произошло существенное улучшение ровности проезжей части на мостах и путепроводах На автомобильных дорогах 1-й категории в последние десятилетия стали устраивать остановочные полосы с дорожными одеждами капитального типа В часы "пик" они используются в качестве дополнительных полос движения, что приводит к появлению очередей и заторов перед мостами, на которых остановочные полосы отсутствуют
Одним из важных вопросов при проектировании мостов является назначение их габарита по ширине Выбор того или иного габарита моста оказывает существенное влияние не только на стоимость его строительства, но также и на величину транспортных расходов при движении автомобилей как по мосту, так и на подходах к нему Это объясняется тем, что режим движения автомобилей по мосту отличается от режима движения по дороге Величина габарита моста оказывает значительное влияние и на безопасность движения
Исследованиями режимов и безопасности движения на мостах занимались В Ф Бабков, Н Ф Хорошилов, Е Е Гибшман, В И Шестериков и Другие
Скорость транспортного потока на мостах зависит от габарита моста,
его длины, конструктивных особенностей, состояния проезжей части, интенсивности и состава транспортного потока, погодно-климатических и дорожных условий на подходах, особенностей плана и продольного профиля и т п На мостах, габарит которых не соответствует категории дороги, и на подходах к ним происходит снижение скоростей движения
В проведенных ранее работах указывается, что искусственные сооружения не оказывают влияния на скорость проезжающих автомобилей только в тех случаях, когда условия движения по ним не отличаются от условий движения на подходах Для этого необходимо, чтобы на мостах сохранялся такой же поперечный профиль, как на дороге, и обеспечена хорошая ровность Однако применение такого подхода может существенно увеличить стоимость строительства и эксплуатационные расходы, уменьшить эффективность инвестиций в их строительство
Поэтому в целях снижения стоимости строительства мостовых сооружений их габариты по ширине назначаются меньше ширины земляного полотна дороги Это является одной из причин снижения скорости движения транспортного потока и возрастания количества дорожно-транспортных происшествий Учитывая, что скорость движения транспортного потока оказывает существенное влияние на себестоимость перевозок, необходимо найти разумный компромисс между стремлением снизить затраты на строительство и эксплуатацию мостовых сооружений, с одной стороны, и обеспечить эффективную работу автомобильного транспорта и безопасность движения - с другой
Цель диссертационной работы Целью диссертации является
обоснование оптимальных габаритов по ширине мостов с учетом их влияния на режимы и безопасность движения
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие основные задачи
-провести анализ существующих норм на габариты мостов и сравнить их с зарубежными,
-исследовать влияние габаритов мостов на безопасность движения,
-исследовать влияние габаритов мостов на режимы движения транспортного потока,
-изучить изменение психофизиологических показателей состояния водителей при проезде по мостам с различными габаритами,
-разработать методику технико-экономического обоснования габаритов vioctob по ширине и на ее основе дать рекомендации по их нормированию Научная новизна работы
1 Установлена зависимость средней скорости транспортного потока от
габарита моста, его длины, интенсивности движения и состава транспортного
потока
2 Установлена зависимость между коэффициентом относительной
аварийности и габаритом моста
Разработана методика и программное обеспечение технико-экономического обоснования габаритов мостов
При расчетах показателей эффективности вместо обычно применяемых значений среднегодовой суточной интенсивности движения предусмотрено использование данных о распределении часовых интенсивностей движения в течение года
Практическая ценность диссертационной работы заключается в разработке методики технико-экономического обоснования габаритов мостов и рекомендаций по их назначению для дорог 1, 2, 3 и 4-й категорий
Реализация работы. Основные положения диссертационной работы (результаты исследования режимов движения на мостах с разными габаритами, анализ влияния габаритов мостов на показатели относительной аварийности, методика технико-экономического обоснования оптимальных габаритов мостов и программное обеспечение для реализации этой методики) использованы при составлении проекта «ГОСТ Р "Ширина проезжей части и полос безопасности на мостах и путепроводах"» и используются в учебном процессе на кафедре «Экономика дорожного хозяйства» при чтении дисциплин «Экономика отрасли», «Организация, планирование и управление в мосто- и тоннелестроении» и в дипломном проектировании
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены на научно-технических и методических конференциях Московского автомобильно-дорожного института (государственного технического университета) 2004, 2005 г и на 1-ой Всероссийской научно -практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Проблемы проектирования, строительства и эксплуатации транспортных
6 сооружений» 25-26 мая 2006 г в СибАДИ, Омск
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в пяти печатных работах
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и приложений Работа содержит 178 страницы машинописного текста, 51 рисунок, 26 таблиц, библиографический список из 101 наименования, в том числе 8 на иностранных языках, 3 приложений СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Современные методы назначения габаритов мостов
При сравнении норм на габариты по ширине мостов и путепроводов, действующих в России и ряде зарубежных стран, следует отметить различия в терминологии. Несмотря на то, что в нормах таких стран, как ФРГ, США, Франция габарит по ширине мостов, как правило, превышает ширину проезжей части дороги, в них отсутствует понятие полос безопасное і и. В нормах ФРГ [1, 101] на мостах и путепроводах сохраняются практически те же элементы поперечного профиля, что и на автомобильной дороге, за исключением неукрепленной части обочин. Дополнительно на мостах предусматривается усгройство тротуаров или служебных проходов, а также в состав поперечного профиля включаются располагаемые вдоль бортов водоотводные лотки или полосы, выполняющие их функцию, шириной не менее 0.5 м и зазор между бортом и ограждением шириной 0.5 м (рис. 1.2).
На рис. 1.3 - 1.5 приводятся рекомендуемые типовые поперечные профили автомобильных дорог и мостов. Для сравнения норм ФРГ и России рассмотрим особенности поперечных профилей RQ 35,5; RQ 29,5 RQ 10,5 и RQ 9,5.
Поперечные профили RQ 35,5 и RQ 29,5 относятся к мостам на дорогах с раздельными проезжими частями соответственно с 3-мя и 2-мя полосами движения в каждом направлении. На мостах сохраняются те же размеры проезжих частей, разделительной, краевых и остановочных полос, что и на дороге. Дополнительно вводятся зазоры по 0,5 м от внешних кромок остановочных полос до ограждений. Общий габарит - расстояние между ограждениями на мостах составляет (15 + С + 15) для профиля RQ 35,5 и (12 + С +12) - для профиля RQ 29,5. Согласно СНиП 2.05.03-84 для мостов на дорогах 1-й категории габарит составляет (13,25 + С + 13,25) и (9,5 +С + 9,5) соответственно при 3-х и 2-х полосах движения в каждом направлении. Следует отметить, что по нормам ФРГ на мостах с трехполосной проезжей частью в одном направлении только правая полоса имеет ширину 3,75 м. Центральные и левые полосы, по которым двигаю і ся в основном легковые автомобили, делают шириной 3,5 м.
По интенсивности движения и ширине проезжей части, равной 7 м, поперечный профиль RQ 10,5 соответствует дороге 3-й категории согласно СНиП 2.05.02-85. По нормам RAS-Q в состав габарит моста входит проезжая часть шириной 7 м, две краевые полосы шириной по 0,5 м (на дороге ширина краевых полос принята равной 0,25 м) и два зазора (расстояние от бортов до ограждений) по 0,5 м. Общее расстояние между ограждениями -9 м. Согласно СНиП 2.05.03-84 габарит мостов на дорогах 3 категории составляет 10 м.
Поперечному профилю RQ 9,5 с шириной проезжей части 6 м соответствует габарит моста с расстоянием между ограждениями 8 м (6 м -проезжая часть, две краевые полосы по 0,5 м и два зазора по 0,5 м) такой же, как для дорог 4-й категории.
Если к габаритам мостов согласно RAS-Q применить такое же, как в СНиП 2 05 03-84 их деление на проезжую часть и полосы безопасности, то для мостов с раздельными проезжими частями на примере поперечника RQ 29,5 получается средняя ширина полосы безопасности 0,5(12 - 7,5) = 2,5 м, что на 0,5 м превышает значения, предусмотренные СНиП 2.05.03-84 .
Для мостов на дорогах 3-й категории ширина полос безопасности на 0,5 м больше, чем для поперечника RQ 10,5, а на дорогах 4-й категории размеры полос безопасности такие же, как для поперечника RQ 9,5.
RAS-Q допускают в целях снижения стоимости строительства при длине мостов 100 м и более уменьшение ширины разделительной полосы с 3,5 до 3 м. При этом происходит изменение ширины краевых полос: ширина левых, примыкающих к разделительной полосе, увеличивается с 0,75 до 1 м, а правых уменьшается с 0,75 до 0,5 м.
Ширина служебных проходов согласно RAS-Q на мостах и путепроводах составляет 0,75 м, тротуаров - не менее 1,5 м, велосипедных дорожек - не менее 2м. Габарит по высоте принят равным 4,7 м.
Во Франции в Технических условиях на проектирование автомагистралей (Instruction sur les condition techniques d"amenagement des autoroutes de liaison) так же, как в нормах ФРГ, на мостах и путепроводах сохраняются те же элементы транспортного пространства, что и на дороге - проезжие части, разделительная, краевые и остановочные полосы. Однако их размеры изменяются в зависимости от длины моста. На мостах длиной до 15 м ширину остановочных полос назначают такой же, как на дороге - 3 м. При длине мостов от 15 до 100 м ее уменьшают до 2 м. На мостах длиной более 100 м в случае экономического обоснования допускается уменьшение размеров разделительной, краевых и остановочных полос.
Экспериментальные исследования влияния скоростей на режимы движения по мостам
Исследования скоростей движения на мостах и путепроводах проводились на автомобильных дорогах, расположенных в Московской и Калужской областях. В табл. 2.3 приводятся данные о мостовых сооружениях, на которых проводились измерения скоростей.
Замеры скоростей проводились при разной интенсивности движения (оі Одо 1000авт/ч).
По результатам измерений скоростей движения были построены кумулятивные кривые скорости, по которым определялись скорости транспортного потока обеспеченностью 15, 50, 85 и 95 %.
На рис. 2.5. приводится, в качестве примера, кумулятивная кривая скорости движения транспортного потока по мосту габаритом 7,5 м, длиной 40 м
Для многополосных мостов на автомобильных дорогах 1-й категории измерения скоростей проводились отдельно для каждой полосы движения. Наряду с данными, полученными автором, были использованы результаты наблюдений, выполненных А.П. Шевяковым и А.В. Корочкиным [38, 39].
Данные о составе транспортного потока, распределении интенсивности движения и скоростей по полосам движения на мосту через р. Пахра (автомобильная дорога М-4 «Дон», км 29+071) приводятся на рис. 2.6-2.8.
Среднегодовая суточная интенсивность движения на км 29+071 автомагистрали М-4 "Дон" в 2004 году составила 58170 авт/сут.
Наряду с измерениями скоростей во время проездов с помощью обработки данных цифровой фотосъемки измерялись зазоры безопасности х и у, которые входят в формулу (2.8) Н.Ф.Хорошилова [6] для определения ширины проезжей части двухполосной дороги:
В = Ь + с + 2у + х, (2.8)
где b - ширина кузова автомобиля, м;
с - колея автомобиля, м;
х - зазор между кузовами встречных автомобилей, м;
у - расстояние от внешней грани следа до края проезжей части, м.
В результате получены зависимости зазоров безопасности от габаритов мостов, близкие к зависимостям, полученными И.М.Гуряевой [19]:
для плотного транспортного потока
х = 0,115838 Г (2.9)
у = 0,20145 Г (2.10)
для легковых автомобилей
х = 0,12954 Г (2.11)
у = 0,20713 Г (2.12) для легких и средних грузовых автомобилей
х = 0,08754 Г (2.13)
у = 0,18175 Г (2.14)
для тяжелых грузовых автомобилей, автопоездов и автобусов
х = 0,078234 Г (2.15)
у = 0,16962 Г (2.16)
участке дороги длиной LM + 2000 (длина моста и по 1 км до и после моста) при разных интенсивностях и габаритах мостов, получены зависимости зоны влияния моста на скорость движения.
В.И. Пуркиным и П.И. Поспеловым [63] было установлено, что зона влияния моста зависит от разницы в габарите моста и ширины проезжей части на подходах. По ВСН 25-86 [87] зона влияния мостов принята не менее 75 м.
В ходе экспериментов выяснено, что зоны влияния мостов зависят, помимо габаритов мостов, от интенсивности транспортного потока или уровня загрузки движением (рис 2.12).
Если допустить, что в зонах влияния до и после моста автомобиль двигается по законам равнозамедленного (равноускоренного) движения, то для любых габаритов мостов ускорение автомобиля можно вычислить по формуле:
Для получения зависимости скорости движения на мостах для большой амплитуды изменения интенсивности движения, данные, полученные экспериментальным путем, были дополнены результатами имитационного моделирования (см. п. 2.4).
Имитационная модель - логико-математическое описание объекта, которое может быть использовано для экспериментирования на компьютере в целях проектирования, анализа и оценки функционирования объекта.
Имитационное моделирование— это метод, позволяющий строить модели, описывающие процессы так, как они проходили бы в действительности. Такую модель можно «проиграть» во времени как для одного испытания, так и заданного их множества. При этом результаты будут определяться случайным характером процессов. По этим данным можно получить достаточно устойчивую статистику.
Для оценки работы автомобильных дорог по пропуску транспортных потоков, в частности, на участках влияния узких мест, необходима достоверная информация о различных показателях процесса движения. Поскольку автомобильная дорога, как инженерное сооружение, рассчитывается на длительный период эксплуатации, в течение которого могут меняться различные влияющие факторы, то очевидна необходимость в достоверной информации о перспективах изменений показателей процесса дорожного движения. Другими словами, необходимы самые надежные прогнозы качества работы различных участков автомобильных дорог, а особенно узких мест (мосты, участки проведения ремонтных работ и т.п.) в изменяющихся условиях их эксплуатации. С научной точки зрения умение прогнозировать течение некоторого реального процесса означает наличие математической модели данного процесса, на основании которой было бы возможно рассчитать его течение при заданных внешних условиях.
Анализ показателей аварийности на мостовых сооружениях
При анализе влияния габаритов мостов на безопасность движения целесообразно использовать показатель, учитывающий одновременно количество ДТП, протяженность мостов, интенсивность движения коэффициент относительной аварийности - количество ДТП на 1 млн. автомобиле-километров (ДТП/1 млн. авт-км).
Для определения коэффициента относительной аварийности, входящего в формулу расчета потерь народного хозяйства от дорожно-транспортных происшествий, в диссертационной работе был выполнен анализ дорожно-транспортных происшествий на на мостовых сооружениях федеральных дорог, находящихся в ведении Федерального управления автомобильных дорог «Центральная Россия».
Исходной информацией для расчетов являлись данные о количестве ДТП, длине и габаритах мостов, интенсивности движения, полученные в Федеральном управлении автомобильных дорог «Центральная Россия».
Для всех мостовых сооружений с определенным габаритом коэффициент относительной аварийности рассчитывался по формуле: ю9-дтп, а = = , (3.2) 365.Xl.-N, где Т- количество лет, за которые получены данные о ДТП; п - количество мостов или путепроводов j-ro габарита; 1, - длина моста данного габарита, м; N, - интенсивность движения по мосту, авт/сут; ДТХ - количество ДТП на мостовых сооружениях с j-м габаритом.
Результаты расчетов коэффициентов относительной аварийности на мостах на отдельных дорогах приведены в таблице 3.6.
В связи с тем, что на безопасность движения на мостах наряду с их габаритами и интенсивностью движения оказывает существенное влияние и другие факторы (параметры плана и продольного профиля, соотношение между габаритами мостов и шириной проезжей части на подходах к ним, ровность проезжей части, высота ограждений, наличие разделительной полосы и т.п.), разброс значений коэффициентов аварийности для мостов на различных дорогах довольно существенный. Поэтому был выполнен расчет коэффициента относительной аварийности для мостов с определенным габаритом в целом для всей сети дорог Федерального управления автомобильных дорог «Центральная Россия».
В результате обКак следует из таблиц 3.7 и 3.8 и рис. З.1., увеличение ширины полос безопасности на двухполосных дорогах с движением в 2-х направлениях приводит к уменьшению значений коэффициентов относительной аварийности. Коэффициент корреляции R говорит о высокой тесноте связи между показателями. Область применения зависимости - габариты по ширине от 7 до 11,5 м.
Существенное снижение аварийности происходит при введении одностороннего движения по мостовым сооружениям. Как следует из табл. 3.7, коэффициент относительной аварийности на мостах с односторонним движением при габарите Г-11,5 в 2 раза ниже по сравнению с мостами такого же габарита, на которых осуществляется движение в двух направлениях
Тенденция некоторого увеличения значений коэффициента относительной аварийности с увеличением ширины полос безопасности наблюдается на мостах с 3-мя полосами движения в одном направлении. Это можно объяснить, в первую очередь, нередко наблюдаемыми случаями движения автомобилей не в 3, а в 4 ряда, что создает хаос в движении. В часы «пик» нередко автомобили двигаются по таким мостам в 4 полосы.
Особое внимание заслуживает резкое увеличение (до 2-3 раз) коэффициента относительной аварийности на четырехполосных мостах, на которых на разделительной полосе отсутствуют ограждения (табл. 3.7). Во многих случаях такие разделительные полосы используются для обгонов и, что еще хуже, для разворотов.
Такой же причиной можно объяснить увеличение коэффициента относительной аварийности на мостах с 6 и 8 полосами движения в двух направлениях, на которых отсутствуют ограждения на разделительной полосе. Работки данных с помощью метода наименьших квадратов получено уравнение, связывающее коэффициент относительной аварийности и габарит моста.
Разработка методики обоснования габаритов мостов
Габарит моста, в состав которого входит ширина проезжей части дороги и полос безопасности, оказывает существенное влияние на скорости движения автомобилей и безопасность движения. С увеличением габарита по сравнению с шириной проезжей части дороги происходит рост скоростей движения и сокращение количества дорожно-транспортных происшествий. Увеличение скоростей движения улучшает показатели эффективности работы автомобильного транспорта, прежде всего за счет снижения себестоимости перевозок. Кроме того, сокращаются продолжительность пребывания в пути пассажиров. Однако следует учитывать, что увеличение габаритов приводит к возрастанию как стоимости строительства мостов, так и расходов по их эксплуатации.
Выбор оптимальной ширины проезжей части и полос безопасности на мостах и путепроводах должен выполняться путем вариантного проектирования и технико-экономического сравнения вариантов по комплексу показателей: технических, экономических, безопасности движения. Обобщающими являются показатели социально-экономической эффективности инвестиций.
В связи с этим, для технико-экономического обоснования оптимальных габаритов мостов в соответствии с основными положениями "Методических рекомендаций по оценке эффективности инвестиционных проектов" [53], "Методических рекомендаций по оценке инвестиционных проектов и отбору их для финансирования" [54], а также "Руководства по оценке экономической эффективности использования в дорожном хозяйстве инноваций и достижений научно-технического прогресса" ОДМ Минтранса России [71] и "Методических рекомендаций по оценке эффективности дорожных проектов" (взамен ВСН 21-83) ОДМ Минтранса России, разработанной на кафедре Экономики дорожного хозяйства МАДИ под руководством Э.В. Дингеса [52], могут применяться дисконтированные затраты, чистый дисконтированный доход, индекс доходности, срок окупаемости.
При расчете указанных выше показателей должны учитываться: капитальные вложения в строительство моста, капитальные вложения в автомобильный транспорт, автотранспортные расходы, затраты на ремонт и содержание моста, потери народного хозяйства от дорожно-транспортных происшествий, экономическая оценка времени пребывания пассажиров в пути.
В качестве рекомендуемого к строительству следует принимать вариант, характеризуемый минимальной суммой дисконтированных затрат или максимумом чистого дисконтируемого дохода. В случае, когда два или несколько вариантов имеют близкие величины суммарных дисконтированных затрат, следует выбирать в качестве оптимального вариант, в наибольшей степени соответствующий требованиям обеспечения безопасности движения, охраны окружающей среды, возможности организации движения по существующей дороге (дорогам) в период проведения работ по строительству или ремонту.
Предлагается методика технико-экономического обоснования габаритов мостов, блок-схема которой представлена на рис 4.1.:
1) Назначение вариантов габаритов мостов производится с учетом категории дороги по ГОСТ Р 52398-2005 «Классификация автомобильных дорог. Основные параметры и требования» [17] и ГОСТ Р 52399-2005 «Геометрические элементы автомобильных дорог» [18]. В качестве эталонного принимается вариант, габарит которого равен ширине проезжей части дороги. Для остальных вариантов габарит принимается равным сумме ширины проезжей части дороги и двух полос безопасности. Размеры полос безопасности, составляющие 1,5-2 м в зависимости от категории дороги, были приняты в качестве максимальных, так как по данным проведенных исследований их дальнейшее увеличение не приводит к дополнительному увеличению скоростей движения и сокращению количества дорожно-транспортных происшествий.
