道路勘测设计 1第三章纵断面设计第1、2节1sppt课件.ppt 59页

2021/9/152021/9/15第三章纵断面设计第一节概述（introduction）第二节汽车的动力性能（dynamicforce）第三节纵坡设计（longitudinalgradientdesign）第四节竖曲线（verticalcurve）第五节平纵线形组合设计（horizontalverticalalignmentcoordinateddesign）第六节纵断面线形设计(verticalalignmentdesign) 2021/9/152021/9/15第一节概述一、基本概念二、路线纵断面图的构成三、路线纵断面图上的设计标高——路基设计标高 2021/9/152021/9/15第一节概述一、基本概念纵断面(vertical)定义：沿着道路中线竖向剖面的展开后展开在立面上的投影即为路线纵断面——上下起伏。路线纵断面图(verticalprofilemap)-----反映路线在纵断面上的形状、位置及尺寸的图形纵断面设计：在路线纵断面图上研究路线线位高度及坡度变化情况的过程。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。 2021/9/152021/9/15第一节概述一、基本概念二、路线纵断面图(verticalprofilemap)的构成三、路线纵断面图上的设计标高——路基设计标高(designelevationofsubgrade) 2021/9/152021/9/15二、路线纵断面图(verticalprofilemap)的构成：资料栏 2021/9/152021/9/15纵断面设计简图 2021/9/152021/9/152、设计线：（1）定义：经过技术、经济及美学上等多方面比较后定出的一条具有规则形状的几何线，反映路线的起伏变化情况。1、地面线：它是根据中线上各桩点的高程而点绘的一条不规则的折线，它反映沿着中线原地面的起伏变化情况。（1）绘制比例横向：里程，一般1：2000、1：1000、1:500纵向：高程，一般1：200、1：100、1:50（2）地面高程的测绘测量：基平测量中平测量 2021/9/152021/9/15（2）纵坡度（longitudinalgradient）表示方法：纵坡度用i表示，为百分数（％），规定上坡为正坡度，下坡为负坡度，如3%，-3%。道路上３％的纵坡对汽车行驶不造成困难。路线前进水平距离520米，克服高差13米，则纵坡为？%100xx%2.5% 2021/9/152021/9/15（3）应解决的问题1）直坡段上坡、下坡，以坡度及坡长表示，坡度以%表示，一般精确到0.01，坡长以米表示，为水平投影长度。解决：A、坡度=？影响因素：（1）汽车的动力性能（2）设计速度（道路等级）（3）坡长（4）自然因素B、坡长=？2）竖曲线（1）以半径及水平长度表示（2）R=？长度=？3）平纵配合4）具体设计方法5）高程计算 2021/9/153、资料栏土壤地质说明坡度（%）／坡长（m）填（m）挖（m）设计标高地面标高里程和桩号平曲线超高 2021/9/152021/9/15第一节概述一、概述二、路线纵断面图的构成三、路线纵断面图上的设计标高——路基设计标高(designelevationofsubgrade) 2021/9/152021/9/15三、路线纵断面图上的设计标高——路基设计标高(designelevationofsubgrade)1、新建公路的路基设计标高（1）高速公路和一级公路采用中央分隔带的外侧边缘标高；（2）二、三、四级公路采用路基边缘标高，在设置超高、加宽地段为设超高、加宽前该处的标高。2、改建公路的路基设计标高一般按新建公路规定办理，也可视具体情况采用行车道中线处的标高。3、对于城市道路设计标高指建成后的行车道中线路面标高或中央分隔带中心线处的标高。 2021/9/152021/9/15设计标高设计标高高速公路、一级公路、有中央分隔带的城市道路新建公路旧路改建、城市道路设计高程位置图设计标高 2021/9/152021/9/154、沿河及可能受水浸淹的道路，按设计标高推算的最低侧路基边缘标高，应高出表3.1规定洪水频率计算水位加壅水高、波浪侵袭高和0.5m的安全高度。公路等级高速公路一二三四设计洪水频率1/1001/1001/501/25按具体情况确定5、沿水库上游岸边的路线，路基最低侧边缘标高应考虑水库水位升高后地下水位壅升，以及水库淤积后壅水曲线抬高及浪高的影响；在寒冷地区还应考虑冰塞壅水对水位增高的影响。6、大、中桥桥头引道(在洪水泛滥范围内)的路基最低侧边缘标高，一般应高于该桥设计洪水位(并包括壅水和浪高)至少0.5m；小桥涵附近的路基最低侧边缘标高应高于桥(涵)前壅水水位至少0.5m(不计浪高)。路基设计洪水频率表3.1 2021/9/152021/9/15第三章纵断面设计第一节概述（introduction）第二节汽车的动力性能（dynamicforce）第三节纵坡设计（longitudinalgradientdesign）第四节竖曲线（verticalcurve）第五节平纵线形组合设计（horizontalverticalalignmentcoordinateddesign）第六节纵断面线形设计(verticalalignmentdesign) 2021/9/152021/9/15第二节汽车的动力性能学习目的：道路设计是以满足汽车行驶的要求为前提的。1、汽车运动基本规律及对公路的要求，指导公路设计；2、保证公路的使用品质、服务等级；3、汽车行驶理论是公路线形设计的理论基础。 2021/9/15一、汽车的行驶理论(theoryofautomobilerunning)的主要内容二、汽车行驶对路线的要求三、汽车的牵引力Pt(tractiveforce)及行驶阻力R(resistancetomotionofmotorvehicle)四、汽车的行驶条件五、动力因数(dynamicforce)及行驶性能图六、汽车的行驶状态汽车的最高速度与最小稳定速度七、理想的最大坡度与不限长度的最大坡度八、加减速行驶行程与坡长限制九、汽车行驶的纵向稳定性第二节汽车的动力性能(dynamicforce) 2021/9/152021/9/15一、汽车行驶理论(theoryofautomobilerunning)的主要内容1、动力性能(dynamicforce)：指汽车所具有的牵引力所决定的汽车加速、爬坡和最大速度的性能。汽车的动力性能越好，就会有较高的车速、较好的爬坡能力和加速能力。通过性（又称越野性）：指汽车在各种道路和无路地带行驶的能力。汽车通过性能越好，汽车使用的范围就越广。2、制动性(brakingpower)：指汽车强制停车和降低车速的能力。汽车制动性能的好坏，直接关系到行车安全，制动性能好，汽车才能以较高的车速行驶。 2021/9/152021/9/153、行驶稳定性(runningstability)：指汽车行驶过程中。受外部因素作用，汽车尚能保持正常行驶状态和方向，不失去控制而产生滑移、倾覆现行的能力。4、操纵稳定性(operatingstability)：指汽车是否按驾驶员的意图控制汽车的性能。它包括汽车的转向特性、高速稳定性和操纵轻便性。5、燃油经济性：指汽车以最少的燃油消耗量完成单位运输工作的能力，使汽车的主要适用性能之一。6、行驶平顺性(smoothrunning)：指汽车在不平道路上行驶时，汽车免受冲击和震动的能力。汽车行驶平顺性，对汽车平均技术车速、乘车舒适性、运货完整性等有很大影响。7、通过性（cross-countrypower）：指汽车在各种道路和无路地带行驶的能力。汽车性能越好，其适用范围就越广。 2021/9/152021/9/15第二节汽车的动力性能一、汽车的行驶理论(theoryofautomobilerunning)的主要内容二、汽车行驶对路线的要求三、汽车的牵引力Pt(tractiveforce)及行驶阻力R(resistancetomotionofmotorvehicle)四、汽车的行驶条件五、动力因数(dynamicforce)及行驶性能图六、汽车的行驶状态汽车的最高速度与最小稳定速度七、理想的最大坡度与不限长度的最大坡度八、加减速行驶行程与坡长限制九、汽车行驶的纵向稳定性 2021/9/152021/9/15二、汽车行驶对路线的要求1、保证汽车在路上行驶的稳定性即保证安全行车，不发生翻车、倒溜或侧滑。因此需要在研究汽车行驶过程中的力系的平衡条件、分布情况和行车稳定性等的基础上，合理设置纵、横坡度和弯公以及提高车轮与路面间附着力。2、尽可能提高车速。评价运输效率的指标是汽车运输生产率和运输成本，平均技术速度是主要影响因素之一。为了提高车速，就需要充分发挥汽车行驶的动力性能，因此在公路设计时必须严格控制曲线半径、最大纵坡及坡长，合理设置超高和缓和曲线，并尽可能地采取大半径曲线及平缓的纵坡。 2021/9/152021/9/153、保证公路上的行车畅通。为保证公路上行车不受阻碍或受尽量小阻碍，公路线形设计需要保证平面上有足够的视距，纵断面上应正确设计竖曲线，横断面上应有足够的通行宽度。此外，还应尽可能地减少平面交叉以及采取增加交通安全和防止公害等措施。4、尽量满足行车舒适。线形设计时，需要正确地组合平面线形和纵面线形，以增进驾驶者和乘客在视觉上和心理上的舒适感，采用符合视觉舒顺要求的曲线半径，注意线形与景观的协调、沿线的植树绿化等。如上所述，公路的线形设计与汽车行驶时各主要性能是密切相关的，因此汽车行驶理论是公路线形设计的理论基础，是制定公路线形几何标准（如平曲线半径、纵坡坡度等）的理论依据。掌握应用汽车行驶理论对于指导公路线形设计、研究和制定公路技术标准有着重要意义。 2021/9/152021/9/15第二节汽车的动力性能一、汽车的行驶理论(theoryofautomobilerunning)的主要内容二、汽车行驶对路线的要求三、汽车的牵引力Pt(tractiveforce)及行驶阻力R(resistancetomotionofmotorvehicle)四、汽车的行驶条件五、动力因数(dynamicforce)及行驶性能图六、汽车的行驶状态及最高速度与最小稳定速度七、理想的最大坡度与不限长度的最大坡度八、加减速行驶行程与坡长限制九、汽车行驶的纵向稳定性 2021/9/152021/9/15三、汽车的牵引力Pt(tractiveforce)及行驶阻力R(resistancetomotionofmotorvehicle)（一）汽车的牵引力Pt(tractiveforce)（二）汽车的行驶阻力(resistancetomotionofmotorvehicle) 2021/9/152021/9/15三、汽车的牵引力Pt(tractiveforce)及行驶阻力R(resistancetomotionofmotorvehicle)（一）汽车的牵引力Pt(tractiveforce)汽车的动力来源：汽车行驶的驱动力来自它的内燃发动机。在发动机里热能转化成机械能经过传动系变速和传动，将发动机曲轴的扭矩M传给驱动轮，产生驱动轮的扭矩Mk，扭矩Mk驱动汽车驱动轮旋转，轮胎对路面产生向后的水平推力Ta，则路面对车辆产生向前的推力Pt（Ta的反力），驱使汽车行驶。 2021/9/152021/9/15汽车的传动系统：1、发动机；2、离合器；3、变速器；4、万向节头传动轴；5、主传动器；6、驱动轮 2021/9/152021/9/15 2021/9/152021/9/15燃料→热能→活塞→机械能→[产生有效功率N]→曲轴→[产生每分钟n的转速旋转]→[产生发动机曲轴扭矩M]→离合器→变速器→传动轴→主传动器→驱动轮→[产生驱动轮扭矩MK]功率(N)：发动机功率,单位千瓦(Kw)/马力（hp）,1hp=0.7457kW.扭矩(M)：表征汽车牵引力的大小,单位牛顿.米/千克.米,1千克.米=9.8牛顿.米燃油消耗(ge)：发动机每小时产生每千瓦功率消耗的燃油量，单位（克/千瓦/小时）转速(n)：单位转/分钟有一个简单的公式可以表明功率、牵引力和速度的关系：功率（N)＝扭矩(M)×角速度(ω)或：功率（N）=牵引力(P)×速度（v） 2021/9/152021/9/15汽车传动系统：1-发动机2-离合器3-变速器4-万向传动装置5-主传动器6-驱动轮）普通汽车传动系统示意图134256 2021/9/152021/9/15发动机输出的功率N与产生的扭矩M的关系：ω为角速度（rad/s），ω=2πn/60，则1、发动机曲轴扭矩M(3-2)(3-1) 2021/9/152021/9/15上述关系远非公式表达的那么简单，常以曲线表达其间的关系，该曲线构成了发动机转速特性曲线（发动机转速特性曲线），油门全开时称发动机外特性曲线，否则称发动机部分负荷特性曲线。 2021/9/152021/9/15将发动机的功率N、扭矩M以及燃油消耗率ge与发动机的转速n之间的函数关系以曲线表示，则该曲线称为发动机外特性曲线。功率曲线扭矩曲线最小转速最大转速图3-2汽油发动机的M、N的关系汽油发动机外特性 2021/9/152021/9/15东风EQ6100-1型发动机外特性曲线 2021/9/152021/9/15式中：Nmax——发动机的最大功率(kW)；nN——发动机的最大功率所对应的转速（r／min）发动机转速特性经验公式：式中：Mmax——最大扭矩（N·m）；MN——最大功率所对应的扭矩，nN——最大功率所对应的转速（r/min）；nM——最大扭矩所对应的转速(r／min)； 2021/9/152021/9/15传动系统的机械效率为2、驱动轮扭矩Mk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，两次变速的总变速比为：传到驱动轮上的扭矩Mk为：3-3 2021/9/152021/9/15驱动轮上的转速nk为：3、汽车行驶速度车速V与发电机转速关系：(3-4) 2021/9/152021/9/154、汽车的牵引力把驱动轮上的扭矩Mk用一对力偶Ta和Pt代替，Ta作用在轮缘上与路面水平力F抗衡，Pt作用在轮轴上推动汽车前进，称为驱动力（或称牵引力）图3-3汽车驱动轮受力分析3-5Pt 2021/9/152021/9/15式中：r——驱动轮工作半径（m），影响因素有气压、外胎构造、路面的刚性与平整度及荷载等。取值：我国r=0.93～0.96r0（r0未变形轮胎半径，m）；英国r=d/2+b(1-λ)in。式中：d——轮胎直径，in；b——轮缘宽度，in；λ——轮胎变形系数，小客车12%～14%；载重车、公共汽车1%～3%；超低压7%～9%。 2021/9/152021/9/155、牵引力Pt与速度V的关系3-43-5由上式知Pt与V成反比，式3-4、3-5进一步揭示，欲要较大的Pt，γ得大，而γ越大，V越小。这就是汽车设置几个排挡的道理。排挡以不同的γ区别：低排挡γ大，而获得大的Pt，小的V（陡坡）；高排挡γ小，而获得小的Pt，大的V（缓坡）。即同一台发动机，高速度和大的牵引力不能同时获得，对某一定型汽车，γ为定值。ηT——传动系的机械效率。一般0.8～0.95（一般载重汽车为0.8～0.85，小客车为0.85～0.95）。 2021/9/152021/9/15三、汽车的牵引力Pt(tractiveforce)及行驶阻力R(resistancetomotionofmotorvehicle)（一）汽车的牵引力Pt(tractiveforce)（二）汽车的行驶阻力(resistancetomotionofmotorvehicle) 2021/9/152021/9/15（二）汽车的行驶阻力(resistancetomotionofmotorvehicle)1、空气阻力汽车在行驶中，由于迎面空气质点的压力，车后的真空吸力及空气质点与车身表面的摩擦力阻碍汽车前进，总称为空气阻力。式中：c——流线型系数，取决于轮廓形状及车身光滑程度；ρ——空气密度，一般ρ=1.2258（N·s2／m4）；K——空气阻力系数，k=cρ，它与汽车的流线型有关，实测得出，单位kg/m3；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。 2021/9/152021/9/15A——汽车迎风面积（或称正投影面积）（m2）；汽车的空气阻力系数与迎风面积表3-2车型迎风面积A(m2)空气阻力系数k小客车1.4~1.90.32~0.50载重车3.0~7.00.60~1.00大客车4.0~7.00.50~0.80 2021/9/152021/9/15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。其消耗的功率为： 2021/9/152021/9/152、道路阻力道路阻力是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）滚动阻力弹性轮胎反复变形时，其材料内部发生摩擦要消耗一部分功率。在柔性路面上汽车行驶时汽车不仅轮胎变形，而且路面也会变形，其接触面之间产生摩擦要消耗部分功率。另外，由于路面的不平整而造成轮胎震动和撞击引起部分功率的消耗。这就是产生滚动阻力的原因。 2021/9/152021/9/15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＝Gcosα×f由于坡道倾角α一般较小，认为cosα≈1，则Rf=G×f（N）式中：Rf——滚动阻力（N）；G——车辆总重力（N）；f——滚动阻力系数，它与路面类型、轮胎结构和行驶速度等有关，一般应由试验确定，在一定类型的轮胎和一定车速范围内，可视为只和路面状况有关的常数，见表3-4。 2021/9/152021/9/15各类路面滚动阻力系数f值表3-3路面类型水泥及沥青混凝土路面表面平整的黑色碎石路面碎石路面干燥平整的土路潮湿不平整的土路f值0.01~0.020.02~0.0250.03~0.050.04~0.050.07~0.15 2021/9/152021/9/15Ri=Gsinα因坡道倾角一般较小，认为sinα≈tgα＝i，则Ri=G×i（N）式中：R——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）坡度阻力图3-4坡度阻力图汽车在坡道倾角为α的道路上行驶时，车重G在平行于路面方向的分力为Gsinα，上坡时它与汽车前进方向相反，阻碍汽车行驶；而下坡时与前进方向相同，助推汽车行驶。坡度阻力可用下式计算： 2021/9/152021/9/15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：RR=G（f+i）式中：f+i——统称道路阻力系数。RR消耗的功率为： 2021/9/152021/9/15汽车变速行驶时，需要克服其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Rj表示。汽车的质量分为：平移质量和旋转质量，它们分别产生：3、惯性阻力旋转质量的惯性力矩平移质量的惯性力 2021/9/152021/9/15旋转质量组成部分较多，计算复杂，为方便，一般给平移质量惯性阻力乘以大于1的系数δ，来代替旋转质量惯性力矩的影响。总的惯性阻力为：式中：δ——惯性力系数（或旋转质量换算系数）。δ＝l＋δ1＋δ2ik2δ1——表示汽车车轮惯性力的影响系数，一般δ1=0.03～0.05；δ2——表示发动机飞轮惯性力的影响系数，一般小客车δ2=0.05～0.07，载重汽车δ2=0.04～0.05；ik——变速箱的速比。前苏联美国 2021/9/152021/9/15惯性阻力消耗的功率为：4、汽车的总行驶阻力R为： 2021/9/152021/9/15第二节汽车的动力性能一、汽车的行驶理论(theoryofautomobilerunning)的主要内容二、汽车行驶对路线的要求三、汽车的牵引力Pt(tractiveforce)及行驶阻力R(resistancetomotionofmotorvehicle)四、汽车的行驶条件五、动力因数(dynamicforce)及行驶性能图六、汽车的行驶状态汽车的最高速度与最小稳定速度七、理想的最大坡度与不限长度的最大坡度八、加减速行驶行程与坡长限制九、汽车行驶的纵向稳定性 2021/9/152021/9/15四、汽车的行驶条件（一）驱动条件（必要条件）（二）附着条件（充分条件） 2021/9/152021/9/15四、汽车的行驶条件（一）驱动条件（必要条件）为使汽车行驶牵引力必须足以克服各项阻力，行驶中牵引力与各项阻力平衡，称为牵引平衡。即：或：3.253.24牵引力必须等于各项行驶阻力之和，这是汽车行驶的必要条件，也称驱动条件。 2021/9/152021/9/15四、汽车的行驶条件（一）驱动条件（必要条件）（二）附着条件（充分条件） 2021/9/152021/9/15（二）附着条件（充分条件）汽车行驶中以增加发动机的扭矩，加大传动比等措施来增加牵引力，并不是总能生效。若轮胎与路面间的摩擦附着力不够大，汽车将在路面上打滑。这样增加扭矩只会使驱动轮加速旋转，路面的切向作用力（即牵引力）并不会增加，所以除了驱动条件外，还受附着条件的制约。附着力Pφ是当车轮在未承受侧向力的条件下，车轮与路面在接触面上无相对位移时，路面对轮胎的切向作用力的极限值。3.26牵引力不能大于轮胎与路面间的摩擦力式中：Z——驱动轮的法向反作用力，小客车为车总重的0.5～0.65倍，载重车为车总重的0.65～0.80倍。φ——附着系数。这就是汽车行驶的充分条件——附着条件 2021/9/152021/9/15φ值的影响因素有：1）路面的粗糙程度和潮湿泥泞程度；2）轮胎花纹和气压；3）行驶车速；4）荷载。附着程度的好坏主要取决于路面与轮胎在接触变形后相互的摩擦情况。实用时用表3.4各种类型路面上的均值。在干燥而粗糙的路面上，突出的坚硬的矿质小颗粒，都被压入胎面橡皮内，阻止轮胎与路面间的相对滑移，附着系数可达0.7以上；在干燥平整的土路上附着系数取决于嵌入轮胎花纹内的土颗粒在水平方向上的剪切破坏力；在不平整的低级公路上，由于减小了轮胎与路面的接触面积，附着系数较低。当路面潮湿泥泞时，其表面坑洼都被泥浆填满，阻碍了轮胎与路面的接触，使附着系数变低；在冬季结冰的公路上，附着系数将降低到0.1以下。车轮胎面花纹和内胎气压对附着系数有较大的影响，在良好的公路上，可用较细花纹的外胎；在山路上行驶的汽车，宜用越野胎纹的轮胎以提高附着系数；低压轮胎较高压轮胎具有更大的附着系数。在高速行驶时，轮胎橡皮来不及实现全部变形过程，路面粗糙部分压入胎面不深，因而附着系数就较低。另外，附着系数随载重量的增大而增大。 2021/9/152021/9/15附着系数值表表3.4路面类型路面状况干燥潮湿泥泞冰滑水泥砼路面沥青砼路面过渡式及低级路面0.70.60.50.50.40.3----0.2----0.1 2021/9/152021/9/15依据汽车行驶的必要及充分条件，对实际中路面设计提出两个了两个基本要求，即：1、宏观要平整，以减小滚动阻力f，不颠簸；减小油耗、磨损，行车舒适。2、微观要粗糙，以增大轮胎与路面间的摩擦系数，以提供较大的附着力，增大牵引能力。两个条件合起来则有：3.27