4.2-纵断面设计

纵断面设计纵断面设计路线纵断面线形设计要素纵坡设计学习要点•纵坡设计的一般要求•最大纵坡度•平均坡度与合成坡度•坡长限制和缓和坡段•纵坡折减4.2.1路线纵断面线形设计要素路线中心线在竖向切面上的投影称为路线纵断面。它反映了道路中线的起伏变化情况及纵断设计线坡度大小情况。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。公路纵断面略图见图4-24。路线纵断面线形的设计要素由纵断面图上的设计线来体现，它是由倾斜和水平的直线坡段与曲线组成的。路线的直线段画水平直线，曲线部分画成折线形式，如表示路线向右转弯，表示路线向左转弯图4-24道路纵断面纵坡度的数值i是用路线纵面设计线两相邻转坡点间的高差h与两点间坡段长度（水平距离）L之比，并用百分数表示，即%100lhi在纵断面图上，通过路基中心线的原地面标高的连线称为地面线。地面标高：地面线上的各点标高。设计标高：对于新建公路，设计线所表示的路基各点的标高。在旧路改建时设计标高系指路面中心线的标高。施工高度：在任一横断面上的设计标高与地面标高之差。路线纵断面的设计线就是路基边缘各点的连线。相交之点称为转坡点（变坡点），两转坡点间坡段起伏的大小用纵坡度表示。直线与曲线里程桩号地面标高设计标高折线连接纵断面设计，拉出设计线绘制坡度、坡长填挖值在设计线上标出水准点位、高程标出桥涵位置、类型、孔径标出竖曲线位置、高程、半径、切线长、外距纵坡度路线纵断面线形设计其要素有：路线上的点号是用里程桩号表示的，起点的桩号为0+000，“+”号前为公里，“+”号后为米数，以后各点均以离起点的距离作为其桩号，例如某点的桩号为2+260，表示该点离起点的距离为2km又260m。4.2.2.1纵坡设计的一般要求纵坡设计必须满足《规程》中有关纵坡的各项规定。为保证汽车以一定的车速安全顺利地行驶，纵坡应具有一定的平顺性，起伏不宜过大和过频繁。尽量避免采用极限纵坡值。合理安排缓和坡段，不宜连续采用极限长度的陡坡夹最短长度的缓坡。纵坡设计时，对沿线的自然条件应做综合考虑，根据不同的具体情况加以处理，保证公路的畅通和稳定。纵坡设计时，对平、微丘地带，保证路基稳定的原则下，尽可能采用填方，对山岭区尽可能保证填挖平衡。纵坡设计时，应照顾当地民间运输工具、农业机械、农田水利等4.2.2纵坡设计4.2.2.2最大纵坡度最大纵坡度是指在设计纵坡时各级公路允许采用的最大坡度值，它是路线设计中的一项重要控制指标。（一）影响最大纵坡的因素：汽车的动力特性：汽车在规定速度下的爬坡能力。道路等级：等级高，行驶速度大，要求坡度阻力尽量小。自然条件：地形起伏变化，海拔高度、气候条件等自然因素。（二）最大纵坡的确定：根据汽车的动力特性，即汽车所具有的牵引力汽车在最大纵坡上下坡行驶时应具有一定的附着条件和制动安全fDi11所谓理想最大纵坡i1，应是采用的标准车型在油门全开的情况下，以设计速度V1作等速行驶来确定。式中：i1—理想最大纵坡度，以小数计；D1—以设计速度V1（km/h）作等速行驶，在汽车动力特性图上查得的动力因素值；f—滚动阻力系数。容许速度V2：不同等级的道路容许速度应不同，其值一般应不小于设计速度的V1的1/2～2/3倍，以此获得较大的纵坡度i2（高速路取低限，低速路取高限）。fDi22另外，在决定各级公路最大纵坡时，不能单纯地从动力性能方面来决定，还应从安全性方面考虑。根据实验表明，当运材汽车沿8%陡坡下行时，由于制动次数增多，制动器易发热失效，造成车祸。各级公路最大纵坡的规定设计速度（km/h）1201008060403020最大纵坡（%）34567891.设计速度为120km／h、l00km／h、80km／h的高速公路受地形条件或其他特殊情况限制时，经技术经济论证，最大纵坡值可增加1％。2.公路改建中，设计速度为40km／h、30km／h、20km／h的利用原有公路的路段，经技术经济论证，最大纵坡值可增加1％。4.2.2.3最小纵坡度公路的最小纵坡不小于0.3%，一般情况下以不小于0.5%为宜。城市道路通常低于两侧街坊，两侧街坊的雨水排向车道的街沟，然后顺街沟的纵坡流入沿街沟设置的雨水口中，再由地下的连管将雨水排入水体，因此道路的最小纵坡应能保证排水和管道不淤塞，其值为0.3%，如遇特殊困难，其纵坡必须小于0.3%时，则应设置锯齿形街沟。4.2.2.3平均坡度与合成坡度平均坡度公路纵坡的设置，即使完全符合最大纵坡的规定，但不一定就能保证使用质量。不少路段虽然某一陡坡并不长，可是由于平均纵坡较大，上坡用低档时间长，容易使汽车水箱沸腾，下坡时需要频繁地刹车，甚至烧坏制动器而容易出事故。因此有必要控制平均纵坡度。平均纵坡是指在一定长度范围内，路线在纵向所克服的高差值和水平距离之比，用百分率表示，即LHi平均《标准》规定：越岭路线连续上坡(或下坡)路段，相对高差为200～500m时，平均纵坡不应大于5.5％；相对高差大于500m时，平均纵坡不应大于5％。任意连续3km路段平均纵坡不应大于5.5％。城市道路的平均纵坡按上述规定减少1.0%。对于海拔3000m以上的高原地区，平均纵坡应较规定值减少0.5%～1.0%。合成坡度公路在平曲线地段，若纵向有纵坡并横向有超高时，则最大坡度既不在纵坡上，也不在横向超高上，而是在纵坡和超高的合成方向上.在急弯与陡坡相重合时，将由路面上的超高横坡度与纵坡度按合力方向所构成的最大坡度称为合成坡度，其计算公式如下：式中：I—弯道上的合成坡度，%；i—弯道超高横坡度，%；j—弯道上的纵坡度，%。为了避免行车在合成坡度方向上发生滑移和载荷偏重的危险，按设计速度规定出合成坡度的极限值，如表4-10所示。22jiI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。当陡坡与小半径平曲线重合时，在条件许可的情况下，以采用较小的合成坡度为宜。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%9%33.948.008.02222jiI4.2.2.4坡长限制和缓和坡段坡长限制坡长限制是对较大纵坡坡段所限定的长度。它包括两方面的内容：一是最短坡长的限制：任何路段；二是最大坡长的限制：陡坡路段。限制最短坡长，是由于纵断上转坡点过多，使车辆行驶颠簸频繁。为了提高行车的平顺性，两相邻转坡点间的距离要尽可能长些，相邻转坡点间的最短距离应不小于两竖曲线的切线长。《设计规程》中规定，各级道路一个坡段的纵坡长度干线应不小于100m，特殊困难时及支、岔线不小于80m。当陡坡过长时，无论上坡或下坡对行车均不利，甚至造成行车事故。特别是在冬季结冰严重的长陡坡路段，由于附着力系数很小，会使上下坡发生更大困难及造成事故。因此，除了限制最大纵坡外，对某些陡坡的坡长进行限制，以保证行车安全。《设计规程》中规定，当连续纵坡超过4%时，应按表4-11所规定的长度加以限制。缓和坡段当连续纵坡度超过4%时，应按表4-11限制其坡长。限制的办法是在规定的长度处设置缓和坡段，缓和坡段的坡度不大于3%，其长度一般小于100m。设置缓和坡段的目的，主要是为了改善汽车在陡坡上长时间用低档行驶的状况。因此，需用较小的路段加以缓和，使汽车能用三档或更高的排挡行驶，从而减轻汽车机件的负荷（上坡），降低制动器过高的温度（下坡），使汽车有可能停歇以提高行车的安全。在实际设计纵坡时，有时某一坡段长还未达到限制长度时，需变换另一坡度，其长度按坡长限制的规定进行折算。例4-4：某三级公路，设计速度30公里/小时，先设纵坡8%长120米，接着可设纵坡7%长多少米？解：查表4-18可知，8%的坡长限制为300米，已设120米，占限制长度的2/5，余3/5，则7%坡段可设长度为500×3/5=300米。L=500×（1-120/300）=300米问：上题中若把7%纵坡改为5%，可设坡长多少米？解：查表4-18，知5%时限制值为900米，故可设坡长最多为900×3/5=540米。4.2.2.5纵坡折减（一）平曲线上的纵坡折减当汽车行驶在急弯陡坡相重叠的路段时，汽车既要不断改变行车方向和更换排档，增加驾驶困难，而且汽车发动机的有效功率除必须克服像直线行驶时所遇到的阻力外，还需克服曲线产生的附加阻力，此时在设计纵断时应将其纵坡减少来满足行车要求。（1）小半径曲线的纵坡折减图4-25小半径纵坡折减曲线内侧路面边缘长度较曲线外侧边缘长度短，特别是在有加宽时更短，但曲线的起点与终点的高差原已确定,这样就使路面内侧边缘的纵坡度比路中心的纵坡度大，曲线半径愈小，纵坡增加愈大。若路中心线的设计纵坡采用最大值，则内侧路面边缘部分汽车行驶的坡度必然要大于规定的坡度值，如图4-25。设平曲线半径为R、中心角为α、路面宽度为B、曲线起终点之间的高差为H。由图4-25可知，中心长为R，曲线内侧边缘长为（R-B/2），则i内i中RHiBRiHiBR中内内而则)2(H,)2(因此，当路中线采用容许的最大坡度时，则在路面内侧边缘部分的纵坡将大于容许的纵坡度，故应加以折减。另外，在曲线外侧的超高缓和段上，因增加了因超高而引起的附加纵坡i而产生附加坡道阻力，为减少这部分额外阻力，则需对纵坡折减。(2)汽车在曲线上行驶产生的阻力当汽车在曲线上行驶时，受到横向力的作用，汽车轮胎在向前的牵引力与横向力共同作用下，产生横向偏移角，半径越小，偏移角越大，汽车功率与轮胎消耗也越大。汽车在超高与纵坡合成的斜面上，由于受离心力作用，爬坡能力降低，如图4-26。图4-26弯道上轮迹偏移（3）汽车在曲线段行驶，牵引力受到损失汽车在弯道上行驶不断改变方向，设汽车转向时的偏转角度为，切线方向的牵引力为T，汽车行驶方向分力为T’，如图4-27所示。损失的牵引力为式中：L—汽车轮距；R—汽车转弯半径。如汽车牵引力的相对损失，用附加坡度的数值来表示，则T22222sin2)cos1(RLTTTTTTT222RLTTiTi图4-27曲线上牵引力损失如果L=4m，R=25m，则△i=1.3%；R=50m，则△i=0.32%。由以上分析可知，由于平曲线的存在使汽车行驶增加一定的阻力，损失部分牵引力，从而减少汽车爬坡能力，这也是纵坡折减的原因。根据《设计规程》的规定，纵坡折减应按表4-12（P.92）的规定折减。当缓和坡段上设置小半径曲线时，纵坡应按表4-13（P.92）规定予以折减。（二）高原地区纵坡的折减在海拔很高的高原地区，汽车发动机的功率因空气稀薄而减少，相应地减低了汽车的爬坡能力，海拔越高，空气越稀薄，氧气供应量越少，此时汽车发动机的功率减少越大。另外，汽车水箱中的水易于沸腾而破坏冷却系统。对于300米以上的地区，除了选择适用于高原地区的行车发动机外，还把最大纵坡减为1%-3%，对于纵坡小于4%，仍用4%。4.2.2.6最小纵坡度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：一般情况下0.5%为宜。适用条件：横向排水不畅路段：长路堑、桥梁、隧道、设超高的平曲线、路肩设截水墙等。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。在弯道超高横坡渐变段上，为使行车道外侧边缘不出现反坡，设计最小纵坡不宜小于超高允许渐变率。干旱少雨地区最小纵坡可不受上述限制。公路最小坡度主要是使挖方路段在任何情况下保证排水，以防止水分渗入路基影响路基的稳定。讨论时间课后思考题1、什么是最大纵坡，受哪几方面决定？在什么情况下进行坡长限制和纵坡折减？2、对纵坡设计的要求。