道路勘测设计(第三版) 第3章 纵断面设计概要课件.ppt 55页

第三章纵断面设计 本章主要内容：纵断面的概念及组成要素最大纵坡和最小纵坡坡长限制和缓和坡段平均纵坡和合成坡度竖曲线要素与竖曲线最小半径视觉分析与平、纵配合纵断面设计方法、步骤及成果 第一节概述定义：沿道路中线竖向剖面的展开图即为路线纵断面。纵断面设计：研究路线线位高度及坡度、坡长变化情况的过程。任务：研究纵断面线形的几何构成及其大小与长度。依据：汽车的动力特性、道路等级、当地的自然地理条件以及工程经济性等。 地面线：根据中桩点的高程绘的一条折线；设计线：路线上各点路基设计高程的连线。变坡导线：变坡点间的连线路线纵断面图构成： 地面线：根据中桩点的高程绘的一条折线；设计线：路线上各点路基设计高程的连线。变坡导线：变坡点间的连线路线纵断面图构成：地面高程：中线上地面点高程。设计高程：两种规定公路：城市道路：路基 设计标高一般公路，路基未设加宽超高前的路肩边缘的高程。 设计标高设分隔带公路，一般为分隔带外边缘。 设计标高城市道路：行车道中线中央分隔带中线 路基高度：横断面上设计高程与地面高程之高差。路堤：设计高程大于地面高程。路堑：设计高程小于地面高程。纵断面设计内容：坡度及坡长竖曲线 路堤 路堑 (一).行驶力学1.汽车的驱动力2.汽车的行驶阻力3.汽车的行驶条件第二节汽车的动力特性 一、汽车的驱动力汽车的动力来源：汽车行驶的驱动力来自它的内燃发动机。汽油燃烧－热能－机械能P－曲轴扭矩M－驱动轮Mk－驱动车轮汽车传动系统： 功率N与产生的扭矩M的关系：1．发动机功率N曲轴扭矩M及发动机转速n的关系TrMN－有效功率 N-n曲线（功率曲线）、M-n曲线（扭矩曲线）发动机转速特性曲线： 发动机曲轴上的扭矩M经过变速箱（速比ik）和主传动器（速比i0）两次变速总变速比为：γ=i0·ik；传动效率为：ηT<1.0；传到驱动轮上的扭矩Mk为：Mk=MγηT驱动轮上的转速nk为：2．驱动轮扭矩Mk车速V与发动机转速关系：变速的目的：增加扭矩 3．汽车的驱动力大驱动力与高速不可兼得 1．空气阻力迎面空气质点的压力＋车后的真空吸力＋空气质点与车身摩擦力＝空气阻力。二、汽车的行驶阻力式中：K——空气阻力系数，它与汽车的流线型有关；ρ——空气密度，一般ρ=1.2258（N·s2／m4）；A——汽车迎风面积（或称正投影面积）（m2）；v——汽车与空气的相对速度（m／s），可近似地取汽车的行驶速度。 将车速v（m／s）化为V（km／h）并化简，得对汽车列车的空气阻力，一般可按每节挂车的空气阻力为其牵引车的20%折算。V=100km/h时，一半的功率用来克服空气阻力 2．道路阻力道路阻力：由弹性轮胎变形和道路的不同路面类型及纵坡度而产生的阻力，主要包括滚动阻力和坡度阻力。（1）滚动阻力产生功率消耗原因：①轮胎变形时，材料内部摩擦；②柔性路面变形，产生摩擦；③路面不平整造成震动和撞击。 滚动阻力与汽车的总重力成正比，若坡道倾角为α时，其值可用下式计算。Rf＝Gfcosαα一般较小，认为cosα≈1，则Rf=Gf（N）式中：Rf——滚动阻力（N）；G——车辆总重力（N）；f——滚动阻力系数，与路面类型、轮胎结构和行驶速度等有关，如水泥沥青路面f＝0.01－0.02，土路f＝0.07－0.15。 汽车在倾角为α的道路上行驶：车重G产生水平分力Gsinα，上坡时阻碍汽车行驶；下坡时助推汽车行驶。计算式：Ri=Gsinα因α较小，认为sinα≈tgα＝i，则Ri=Gi（N）式中：Ri——坡度阻力（N）；G——车辆总重力（N）；i——道路纵坡度，上坡为正；下坡为负。（2）坡度阻力 RR=G（f+i）滚动阻力和坡度阻力均与道路状况有关，且都与汽车的总重力成正比，将它们统称为道路阻力，以RR表示式中：f+i——统称道路阻力系数。 汽车的质量：平移质量旋转质量克服质量变速运动时产生的惯性力和惯性力矩称为惯性阻力，用RI表示。3．惯性阻力平移质量的惯性力旋转质量的惯性力矩 惯性阻力计算：式中：δ——惯性力系数（或旋转质量换算系数）。δ＝l＋δ1＋δ2ik2式中：δ1——表示汽车车轮惯性力的影响系数，δ1=0.03～0.05；δ2——表示发动机飞轮惯性力的影响系数，小客车δ2=0.05～0.07，载重汽车δ2=0.04～0.05；ik——变速箱的速比。汽车的总行驶阻力R为：R=Rw十RR十RI 1．汽车的运动方程式驱动力＝各阻力之和，称为驱动平衡。其驱动平衡方程式（也称汽车的运动方程式）为T=R=Rw+RR+RI代入表达式，汽车的运动方程式为：三、汽车的运动方程式与行驶条件U－负荷率（节流阀部分开启），一般U＝80－90％ 2．汽车的行驶条件汽车在道路上行驶:驱动力＝行驶阻力时，汽车就等速行驶；驱动力>行驶阻力时，汽车就加速行驶；驱动力<行驶阻力时，汽车就减速行驶，直至停车。汽车行驶的必要条件（即驱动条件）：T≥R 驱动力小于或等于轮胎与路面之间的附着力，即T≤Gk式中：——附着系数，取决于:路面的粗糙和潮湿泥泞程度，轧胎的花纹和气压，车速和荷载等；Gk——驱动轮荷载，小汽车=(0.5～0.65)G;载重车=(0.65～0.80)G.汽车行驶的充分条件： 四.汽车的动力特性及行驶状态汽车的动力因数汽车的行驶状态 1.汽车动力特性对不同类型汽车不考虑道路条件而事先通过计算绘出其动力特性图，即D=f(V)的关系图。动力因素修正公式：动力因数D：表征某型汽车在海平面高程上，满载情况下，每单位车重克服道路阻力和惯性阻力的性能。 2.汽车的行驶状态汽车的行驶状态有以下三种情况：加速行驶等速行驶减速行驶在动力特性图上，等速行驶的速度称为平衡速度。每一排档都存在各自的最大动力因数，与之对应的速度称作临界速度。 第三节纵坡及坡长设计一、纵坡设计的一般要求1．必须满足《标准》的各项规定。2．纵坡设计应对沿线地面、地下管线、地质、水文、气候和排水等综合考虑。 忽上忽下3．满足行驶要求，纵坡应平顺，起伏不宜过大和频繁。 4．山岭重丘区：纵坡设计应考虑填挖平衡，移挖作填。5．平原微丘区：纵坡满足最小纵坡要求，满足最小填土高度要求。6．对连接段纵坡、交叉处前后的纵坡应平缓，（如大、中桥引道及隧道两端接线等）7．充分考虑通道、农田水利等方面的要求。 二、理想的最大纵坡和不限长度的最大纵坡1.理想的最大纵坡i1：设计车型（载重车）在油门全开情况下，持续以理想速度V1等速行驶所能克服的坡度。V1取值：低速路：V1=设计速度，高速路:V1=载重车的最高速度。i1=λD1-f2.容许速度V2：其值一般应不小于设计速度的1/2～2/3。不限长最大纵坡i2：i2=λD2-f难以争取，V1降到V2高速取低，低速取高 三、最大纵坡最大纵坡：纵坡设计时各级道路允许使用的最大坡度值。影响因素：①汽车动力特性：汽车在规定速度下的爬坡能力。上坡：下坡：②道路等级：等级高，行驶速度大，要求坡度阻力小。③自然条件：海拔高程、气候（积雪寒冷等）。纵坡度大小的优劣：坡度大：行车困难：上坡速度低，下坡较危险。山区公路可缩短里程，降低造价。 注：城市道路相应降低1%。特殊情况：（1）地形困难，增加1%（2）冰冻地区，不超过8%（3）大、中桥≤4%，桥头引道≤5%（4）隧道内≤3%（≤50m的除外）（5）非机动车道：平原微丘区2~3%，山岭重丘≤4~5%各级公路最大纵坡的规定设计速度（km/h）1201008060403020最大纵坡（%）3456789综合考虑：交通组成、汽车性能、工程费用和营运经济 1.《规范》规定：H≧3000m最大纵坡折减。折减后若小于4%，则仍采用4%。四、高原纵坡折减高原纵坡折减值在高海拔地区：发动机的功率下降驱动力降低，爬坡能力下降。冷却水易于沸腾破坏冷却系统。2．高原为什么纵坡要折减？ 最小纵坡：各级公路在特殊情况下容许使用的最小坡度值。最小纵坡值：0.3%，一般情况下0.5%为宜。适用条件：排水不畅路段：长路堑、桥梁、隧道、设超高的平曲线等。当必须设计平坡（0%）或小于0.3%的纵坡时，边沟应作纵向排水设计。干旱少雨地区最小纵坡可不受上述限制。五、最小纵坡 坡长：相邻变坡点间的长度内容：最小坡长限制：任何路段最大坡长：陡坡路段1．最短坡长限制《标准》规定，各级公路最短坡长不应小于9－15s行程。六、坡长限制120*9/3.6＝300m 《标准》规定各级公路最大坡长限制。2．最大坡长限制最大坡长：汽车在坡道上行驶，当车速降低到某一最低允许速度时所行驶的距离 城市道路最大坡长按表4.2.5选用。2．最大坡长限制比公路苛刻 七、缓和坡段《标准》规定，连续上坡(或下坡)时，应在不大于限制坡长内设置缓和坡段。缓和坡段：给车恢复速度的过程i≦3％，l－符合最小坡长要求。线形：宜采用直线。困难路段可用曲线；注：宜设在直线段或大半径曲线上曲线半径较小时，缓和坡段长度应增加。回头曲线段不能作为缓和坡段。实际设计很难采用 八、平均纵坡平均纵坡：一定长度的路段所克服的高差H与路线长度L之比（连续升坡或降坡路段）。《标准》规定：二、三、四级公路：越岭路线连续上坡(或下坡)路段：相对H：200～500m时，i平≦5.5％；相对H：>500m时，i平≦5％。任意连续3km路段:i平≦5.5％。城市道路:减少1.0%。H>3000m以上地区:减少0.5%～1.0%。台阶式HL 1.定义：由路线纵坡与横坡组合而成的坡度。计算公式：九、合成坡度式中：I——合成坡度（%）；ih——超高横坡度或路拱横坡度（%）；iz——路线设计纵坡坡度（%）。iihI （1）最大允许合成坡度值：2．合成坡度指标（2）最小合成坡度：Imin≧0.5%。Imin＜0.5%时，应采取综合排水措施，以保证路面排水畅通。 陡坡＋小半径平曲线，宜采用小的合成坡度。特别是下述情况，其合成坡度必须小于8%。①在冬季路面有积雪结冰的地区；②自然横坡较陡峻的傍山路段；③非汽车交通比率高的路段。例如：某二级公路，有一平曲线半径为250m，超高横坡为8%，该路段纵坡度为4.8%，则合成坡度为3.合成坡度指标的控制作用：控制陡坡与急弯的重合；平坡与设超高平曲线的配合问题。