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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.  Asymmetric basic type curve calculation model

    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.  “Asymmetric universal type” curve calculation model

    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T1和T2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.   “Asymmetric universal type” parameters

    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}} $点处曲率半径,当
    为完整缓和曲线时,有$ {R}_{1}=\infty $
    $ {R}_{3} $ 前缓和曲线在$ P_{\mathrm{HY}} $点处曲率半径,等
    于相接圆曲线半径$ {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}}} $点处曲率半径,当
    为完整缓和曲线时,有$ {R}_{2}=\infty $
    $ {R}_{4} $ 后缓和曲线在$ P_{{\mathrm{YH}}} $点处曲率半径,等
    于相接圆曲线半径$ {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
    $ a $ 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
    $ {L}_{S1} $/m$ {R}_{1} $/m$ R $/m$ {L}_{S2} $/m$ {R}_{2} $/m$ \alpha $/(°)$ x $/m$ y $/m$ \varphi $(°)
    PJD152.7471000851e-71e748.4839482328.76743450066.5663346.4092
    PJD246.88685521e-71e7104.1498482395.22613450161.857134.8931
    PJD31e-71e75258.5161e794.5106482478.89523450065.4611139.0429
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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
    $ A_0 $/m 69.99996097 3e-3
    $ {L}_{{\mathrm{m}}} $/m 4.899994536 0
    $ {\beta }_{{\mathrm{n}}} $($ {\text{°}} $) 0.339099968 0
    $ {p}_{0} $/m 1.62233421 0
    $ {q}_{0} $/m 28.71337018 0
    PJD1 $ \beta $($ {\text{°}} $) 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
    JD3 $ 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 JD1 JD2 JD3
    $ {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 JD1 JD2 JD3
    直缓点$ x $482343.0826482351.8544482440.2369
    $ y $3450007.35173450099.66933450109.9997
    缓直点$ x $482351.8539482440.2371482410.2142
    $ y $3450099.66883450109.99953450014.7390
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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 $ 482343.0828 482343.0826 2 e-4
    $ y $ 3450007.3520 3450007.3517 3 e-4
    PHY, 2 $ x $ 482336.9930 482336.9929 1 e-4
    $ y $ 3450059.4841 3450059.484 2 e-4
    PYH, 3 $ x $ 482351.8541 482351.8539 2 e-4
    $ y $ 3450099.6689 3450099.6688 1 e-4
    PHY, 4 $ x $ 482389.0167 482389.0165 2 e-4
    $ y $ 3450126.5220 3450126.5223 3 e-4
    PYY, 5 $ x $ 482440.2370 482440.2369 1 e-4
    $ y $ 3450109.9994 3450109.9997 3 e-4
    PYH, 6 $ x $ 482449.3910 482449.3908 2 e-4
    $ y $ 3450056.9642 3450056.964 3 e-4
    PHZ, 7 $ x $ 482410.2139 482410.2142 3 e-4
    $ y $ 3450014.7386 3450014.7390 4 e-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 <1e-3
    PHY, 2 531.593 531.593 <1e-3
    PYH, 3 574.905 574.905 <1e-3
    PHY, 4 621.791 621.791 <1e-3
    PYY, 5 678.359 678.359 <1e-3
    PYH, 6 734.342 734.927 <1e-3
    PHZ, 7 739.342 793.342 <1e-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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