一、概念

卵形曲線:是指在兩半徑不等的圓曲線間插入一段緩和曲線。也就是說:卵形曲線本身是緩和曲線的一段,只是在插入時(shí)去掉了靠近半徑無(wú)窮大方向的一段,而非是一條完整的緩和曲線。

二、卵形曲線坐標(biāo)計(jì)算原理

根據(jù)已知的設(shè)計(jì)參數(shù),求出包括卵形

 

曲線的完整緩和曲線的相關(guān)參數(shù)和曲線要素,再按緩和曲線坐標(biāo)計(jì)算的方法來(lái)計(jì)算卵形曲線上任意點(diǎn)上的坐標(biāo)。

三、坐標(biāo)計(jì)算

以雅(安)至攀(枝花)高速公路A合同段(西昌西寧)立交區(qū)A匝道一卵形曲線為例,見圖一:

 

(圖一)

已知相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)見下表:

主點(diǎn)

樁號(hào)

坐 標(biāo)

(m)

切線方位角

(θ)

X

Y

° ’ ”

ZH

AK0+090

9987.403

10059.378

92 17 26.2

HY1

AK0+160

9968.981

10125.341

132 23 51.6

YH1

AK0+223.715

9910.603

10136.791

205 24 33.6

HY2

AK0+271.881

9880.438

10100.904

251 24 18.5

YH2

AK0+384.032

9922.316

10007.909

337 04 54.2

HZ

AK0+444.032

9981.363

10000.000

0 00 00

 

1、緩和曲線(卵形曲線)參數(shù)計(jì)算

A1==59.161

卵形曲線參數(shù):

A2=(HY2-YH1)×R1(小半徑)

×R2(大半徑)÷(R2-R1

=(271.881-223.715)×50×75÷(75-50)

= 7224.900

A2==84.999

A3==67.082

2.卵形曲線所在緩和曲線要素計(jì)算

卵形曲線長(zhǎng)度LF由已知條件知:LF=HY2-YH1=271.881-223.715=48.166

卵形曲線作為緩和曲線的一段,因此先求出整條緩和曲線的長(zhǎng)度LS,由此找出HZ'點(diǎn)的樁號(hào)及坐標(biāo)(實(shí)際上不存在,只是作為卵形曲線輔助計(jì)算用)

LM=LS(YH1至HZ'的弧長(zhǎng))=A2÷R1

=7224.900÷50=144.498

∴HZ'樁號(hào)=YH1+LM=223.715+144.498=368.213

LE=HY2至HZ'的弧長(zhǎng)

=A2÷R2=7224.900÷75=96.332

或LE= LM-LF=144.498-48.166=96.332

卵形曲線長(zhǎng)度LF=LM-LE=144.498-96.332=48.166(校核)

HY2=HZ'-LE=368.213-96.332=271.881(校核)

由上說明計(jì)算正確

3HZ'點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算(見圖二)

(圖二)

①用緩和曲線切線支距公式計(jì)算,緩和曲線切線支距公式通式:

Xn=[(-1)n+1×L4n–3]÷[(2n-2)!×22n–2×(4n-3)

×(RLs)2n–2]

Yn=[(-1)n+1×L4n–1]÷[(2n-1)!×22n–1×(4n-1)

×(RLs)2n–1]

公式中符號(hào)含義:

n — 項(xiàng)數(shù)序號(hào)(1、2、3、……n)

!— 階乘

R — 圓曲線半徑

Ls — 緩和曲線長(zhǎng)

②現(xiàn)取公式前6項(xiàng)計(jì)算(有關(guān)書籍中一般為2-3項(xiàng),不能滿足小半徑的緩和曲線計(jì)算精度要求,如本例中AK0+090~AK0+160段緩和曲線,如AK0+160中樁坐標(biāo)帶2項(xiàng)算誤差達(dá)8cm),公式如下:

X=L-L5÷[40(RLS2]+L9÷[3456(RLS4]–L13÷[599040(RLS6]+L17÷[175472640(RLS8]- L21÷[7.80337152×1010(RLS10] (公式1)

Y=L3÷[6(RLS)] - L7÷[336(RLS3]+L11÷[42240(RLS5] - L15÷[9676800(

RLS7]+L19÷[3530096640(RLS9] - L23÷[1.8802409472×1012(RLS11] (公式2)

公式中L為計(jì)算點(diǎn)至ZH'或HZ'的弧長(zhǎng)

HZ':AK0+368.213的坐標(biāo)從YH1:AK0+223.715推算,

L=LS=HZ'-YH1

=368.213-223.715=144.498

將L=LS 代入公式(1)、(2)得:

X=117.1072 Y=59.8839

L對(duì)應(yīng)弦長(zhǎng)C=√(X2+Y2)=131.5301

偏角a1=arctg(Y÷X)=27°05’00.2”

* 偏角計(jì)算用反正切公式,不要用其它公式。

緩和曲線切線角:

a2=90L2÷(πK)

=90×144.4982÷(π×7224.900)

=82°47’28.5”

* K為卵型曲線參數(shù),本例中

K= A2=7224.900

Q3=180-a1-(180-a2)

=180-27°05’00.2”-(180-82°47’28.5”)

=55°42’28.3”

∴YH1"HZ’切線方位角(M"B)

=205°24’33.6” +Q3

=205°24’33.6”+55°42’28.3”

=261°07’01.9”

∴HZ’:AK0+368.213坐標(biāo):

X=XYH1+Ccos261°07’01.9”=9910.603+131.5301 cos261°07’01.9”=9890.293

Y=YYH1+Csin261°07’01.9”=10136.791+131.5301 sin261°07’01.9”=10006.838

4.HZ’:AK0+368.213點(diǎn)的切線方位角(D"B)計(jì)算

D=288°12’02.1”-180

=108°12’02.1”

5.計(jì)算卵型曲線上任意點(diǎn)坐標(biāo)(以HZ’:AK0+368.213作為推算起點(diǎn))

①計(jì)算HY2:AK0+271.881的坐標(biāo)

∵L= HZ’- HY2=368.213-271.881=96.332代入公式1、2得:X=92.434 Y=20.022

偏角Q= arctg(Y÷X)=12°13’19.61” 對(duì)應(yīng)弦長(zhǎng)C=√(X2+Y2)=94.578

坐標(biāo):

X=9890.293+94.578cos(108°12’02.1”-12°13’19.61”)

=9880.442

Y=10006.838+94.578sin(108°12’02.1”-12°13’19.61”)

=10100.902

②與設(shè)計(jì)值比較:

rX=X計(jì)算值-X設(shè)計(jì)值=9880.442-9880.438

=+0.004

rY=Y計(jì)算值-Y設(shè)計(jì)值=10100.902-10100.904

=-0.002 mm

同理依次可計(jì)算出卵型曲線上其它任意點(diǎn)的坐標(biāo)。由此可見,采用此方法計(jì)算求得的坐標(biāo)與設(shè)計(jì)院通過電腦程序計(jì)算的結(jié)果相差很小,本人多年來(lái)在高速公路多條卵型曲線采用此方法計(jì)算其坐標(biāo),其計(jì)算精確,完全可以作為包括高速公路在內(nèi)的卵型曲線坐標(biāo)計(jì)算。