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用于含非完整缓和曲线线形求解的修正交点法

邱瑞成 赵飞 朱明 徐益飞 陈洁 柳苑新

邱瑞成, 赵飞, 朱明, 徐益飞, 陈洁, 柳苑新. 用于含非完整缓和曲线线形求解的修正交点法[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230624
引用本文: 邱瑞成, 赵飞, 朱明, 徐益飞, 陈洁, 柳苑新. 用于含非完整缓和曲线线形求解的修正交点法[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230624
QIU Ruicheng, ZHAO Fei, ZHU Ming, XU Yifei, CHEN Jie, LIU Yuanxin. Modified Intersection Method for Solving Alignment Problems Containing Incomplete Transition Curves[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230624
Citation: QIU Ruicheng, ZHAO Fei, ZHU Ming, XU Yifei, CHEN Jie, LIU Yuanxin. Modified Intersection Method for Solving Alignment Problems Containing Incomplete Transition Curves[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230624

用于含非完整缓和曲线线形求解的修正交点法

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230624
基金项目: 四川省科技计划项目(2023NSFSC1414,2022YFJC0008)
详细信息
    作者简介:

    邱瑞成(1992—),男,工程师,硕士,研究方向为公路BIM技术研发工作,E-mail:charn@foxmail.com

    通讯作者:

    徐益飞(1986—),男,高级工程师,研究方向为公路BIM技术研发工作,E-mail:yifei@bimscodi.cn

  • 中图分类号: U412.3

Modified Intersection Method for Solving Alignment Problems Containing Incomplete Transition Curves

  • 摘要:

    为解决公路线形设计过程中交点法依赖的非对称基本型计算模型,在转弯曲线包含非完整缓和曲线时出现计算失效的问题,以非对称基本型计算模型为基础,通过分析计算模型在解算非完整缓和曲线场景下的失效原因,对计算模型结构与求解逻辑予以优化改进,进而提出非对称通用型计算模型. 此模型新定义了缓和曲线方向,通过判断缓和曲线曲率变化趋势与路线行进方向间的关系,将缓和曲线划分为正向和逆向两类,再根据缓和曲线在单曲线中的前后关系,建立特殊局部坐标系,通过几何推导,得出非完整缓和曲线切线增长值和曲线内移值,进而可以使用非对称基本型计算模型进行求解. 研究表明:非对称通用型计算模型突破了非对称基本型计算模型对线形组合类型的限制,允许缓和曲线起、终点曲率半径可为任意值;通过与传统线元法对同一复杂曲线段进行解算对比,控制桩号里程值及控制桩号坐标的计算差异均小于1 mm,满足工程精度要求.

     

  • 图 1  非对称基本型曲线计算模型

    Figure 1.  Calculation model of asymmetric basic type curve

    图 2  完整缓和曲线与非完整缓和曲线图示

    Figure 2.  Illustration of complete transition curve and incomplete transition curve

    图 3  非对称通用型曲线计算模型

    Figure 3.  Calculation model of asymmetric universal type curve

    图 4  正向缓和曲线内移值$ p $和切线增长值$ q $求解模型

    Figure 4.  Solving model of offset value $ p $ and tangential growth value $ q $ of positive transition curve

    图 5  逆向缓和曲线内移值$ p $和切线增长值$ q $求解模型

    Figure 5.  Solving model of offset value $ p $ and tangential growth value $ q $ of negative transition curve

    图 6  求解曲线切线T1T2图示

    Figure 6.  Illumination of solving curve tangents T1 and T2

    图 7  示例项目线位图(单位:m)

    Figure 7.  Diagram of sample project line composition (unit: m)

    表  1  非对称通用型参数列表

    Table  1.   Parameters of asymmetric universal type

    曲线段落 参数名 参数说明
    前缓和曲线 $ {L}_{{\mathrm{s}}1} $ 前缓和曲线长度
    $ {R}_{1} $ 前缓和曲线在$ P_{\mathrm{ZH}} $处曲率半径,当
    为完整缓和曲线时,$ {R}_{1}=\infty $
    $ {R}_{3} $ 前缓和曲线在$ P_{\mathrm{HY}} $处曲率半径,等
    于$ {R}_{{\mathrm{c}}} $
    圆曲线 $ {R}_{{\mathrm{c}}} $ 相接圆曲线半径
    后缓和曲线 $ {L}_{{\mathrm{s}}2} $ 后缓和曲线长度
    $ {R}_{2} $ 后缓和曲线在$ P_{{\mathrm{HZ}}} $处曲率半径,当
    为完整缓和曲线时,$ {R}_{2}=\infty $
    $ {R}_{4} $ 后缓和曲线在$ P_{{\mathrm{YH}}} $处曲率半径,等
    于$ {R}_{{\mathrm{c}}} $
    交点坐标 ($ {x}_{0},{y}_{0} $) PJD0 坐标
    ($ {x}_{1},{y}_{1} $) PJD1 坐标
    ($ {x}_{2},{y}_{2} $) PJD2 坐标
    $ \alpha $ 转向角
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    表  2  缓和曲线方向分类

    Table  2.   Classification of transition curve direction

    曲线段缓和曲线端曲率点半径关系曲线方向
    前缓和曲线$ {R}_{1} $>$ {R}_{3} $正向
    $ {R}_{1} $<$ {R}_{3} $逆向
    后缓和曲线$ {R}_{2} $>$ {R}_{4} $正向
    $ {R}_{2} $<$ {R}_{4} $逆向
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    表  3  正向缓和曲线各求解步骤间参数输入输出关系

    Table  3.   Parameter input and output relationship between each solving step of positive transition curve

    步骤 输入 输出
    1 $ {L}_{{\mathrm{S}}} $、$ {R}_{{\mathrm{max}}} $、$ {R}_{{\mathrm{min}}} $ $ {L}_{{\mathrm{t}}} $、$ A $、$ {L}_{{\mathrm{m}}} $
    2 步骤 1 输出 $ x $、$ {y} $、$ {\beta }_{{\mathrm{n}}} $、$ {p}_{_0} $、$ {q}_{_0} $
    3 步骤 1 输出 $ \beta $
    4 步骤 3 输出 $ {k}_{_{AC}} $、$ {k}_{_{OD}} $
    5 步骤 2、4 输出 $ {x}_{_O} $、$ {y}_{_O} $、$ {x}_{_D} $、$ {y}_{_D} $
    6、7 步骤 2、3、5 输出 $ p $、$ q $、$ {\beta }_{{\mathrm{d}}} $
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    表  4  截取段落路线设计数据

    Table  4.   Design data of route section

    点位 前缓和曲线 圆曲线 后缓和曲线 转角 设计坐标值 切线方位角
    Ls1/m R1/m R/m Ls2/m R2/m $ \alpha $ x/m y/m $ \varphi $
    PJD1 52.747 1000 85 1.000×10−7 1×107 48.4839° 482328.7674 3450066.5663 346.4092°
    PJD2 46.886 85 52 1.000×10−7 1×107 104.1498° 482395.2261 3450161.8571 34.8931°
    PJD3 1.000×10−7 1e7 52 58.516 1×107 94.5106° 482478.8952 3450065.4611 139.0429°
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    表  5  待校核点设计数据

    Table  5.   Design data of points to be checked m

    点位 坐标设计值 桩号里程
    $ x $ $ y $
    PYH,1 482343.0828 3450007.3520 478.846
    PHY,2 482336.9930 3450059.4841 531.593
    PYH,3 482351.8541 3450099.6689 574.905
    PHY,4 482389.0167 3450126.5220 621.791
    PYY,5 482440.2371 3450109.9994 678.359
    PYH,6 482449.3910 3450056.9642 734.927
    PHZ,7 482410.2139 3450014.7386 793.342
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    表  6  各交点前、后缓和曲线参数计算结果

    Table  6.   Calculation results of initial and terminal transition curve parameters at each intersection

    交点 待求参数 前缓和曲线 后缓和曲线
    $ {L}_{{\mathrm{t}}} $/m 57.64699454 1e-7
    A0/m 69.99996097 3e-3
    $ {L}_{{\mathrm{m}}} $/m 4.899994536 0
    $ {\beta }_{{\mathrm{n}}} $ 0.339099968° 0
    p0/m 1.62233421 0
    q0/m 28.71337018 0
    PJD1 $ \beta $ 0.002449997° 0
    切点坐标/m 4.899991594,
    0.004001656
    (0,0)
    $ {k}_{AC} $ 0.002450002 0
    $ {k}_{OD} $ 408.1629038 0
    圆心$ O $坐标/m 28.71337018,
    86.62233421
    (0,85)
    $ q $/m 24.02552159 0
    $ p $/m 1.559729938 0
    $ {\beta }_{{\mathrm{n}}} $/rad 0.336649971 0
    $ q $/m 8.609745433 0
    PJD2 $ p $/m 1.872194183 0
    $ {\beta }_{{\mathrm{n}}} $/rad 0.729598901 0
    $ q $/m 0 28.90335233
    PJD3 $ p $/m 0 2.703741562
    $ {\beta }_{{\mathrm{n}}} $/rad 0 0.561695228
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    表  7  各交点切线值计算结果

    Table  7.   Calculation results of tangential values at each intersection

    切线长/m PJD1 PJD2 PJD3
    $ {T}_{1} $ 60.92011083 75.81834455 58.97586509
    $ {T}_{2} $ 40.35839291 68.66738024 85.38036815
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    表  8  各交点控制点坐标计算结果

    Table  8.   Calculation results of coordinates of control points at each intersection m

    点位 坐标项 PJD1 PJD2 PJD3
    直缓点 (x, y) 482343.0826, 3450007.3517 482351.8544, 3450099.6693 482440.2369, 3450109.9997
    缓直点 (x, y) 482351.8539, 3450099.6688 482440.2371, 3450109.9995 482410.2142, 3450014.7390
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    表  9  各控制桩坐标计算结果

    Table  9.   Calculation results of coordinates of each control stake m

    验证点位 坐标项 设计值 计算值 误差绝对值
    PYH,1 (x, y) 482343.0828, 3450007.3520 482343.0826, 3450007.3517 2×10−4, 3×10−4
    PHY,2 (x, y) 482336.9930, 3450059.4841 482336.9929, 3450059.484 1×10−4, 2×10−4
    PYH,3 (x, y) 482351.8541, 3450099.6689 482351.8539, 3450099.6688 2×10−4, 1×10−4
    PHY,4 (x, y) 482389.0167, 3450126.5220 482389.0165, 3450126.5223 2×10−4, 3×10−4
    PYY,5 (x, y) 482440.2370, 3450109.9994 482440.2369, 3450109.9997 1×10−4, 3×10−4
    PYH,6 (x, y) 482449.3910, 3450056.9642 482449.3908, 3450056.964 2×10−4, 3×10−4
    PHZ,7 (x, y) 482410.2139, 3450014.7386 482410.2142, 3450014.7390 3×10−4, 4×10−4
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    表  10  各控制桩坐里程桩号计算结果

    Table  10.   Calculation results of mileage station of each control stake m

    验证点位 桩号校准值 计算值 误差绝对值
    PYH,1 478.846 478.846 <1×10−3
    PHY,2 531.593 531.593 <1×10−3
    PYH,3 574.905 574.905 <1×10−3
    PHY,4 621.791 621.791 <1×10−3
    PYY,5 678.359 678.359 <1×10−3
    PYH,6 734.342 734.927 <1×10−3
    PHZ,7 739.342 793.342 <1×10−3
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  • 收稿日期:  2023-11-27
  • 修回日期:  2024-01-16
  • 网络出版日期:  2025-10-21

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