第三章-纵断面设计2018

第三章纵断面设计长安大学许金良本章主要内容背景介绍平原地貌平原区地形起伏不大，道路可顺应地形修建平原区地形起伏不大，道路可顺应地形修建山区地貌山区地形起伏大，顺应地形起伏修建道路，不满足汽车行驶要求，需要对所经区域进行填挖处理，或修建隧道、桥梁。道路敷设于地面之上,路线与所经区域内的地面相对关系如何?把路线放置到那个高度上?遇到高差较大的地形变化(如河流,深沟,高山),如何躲避障碍物,如何克服高差?怎样安排路线才能使其与周围环境适应或协调？道路的高度如何确定?上一章我们讨论了道路的平面设计，解决了平面线形要素设计及其组合设计问题。可以说是解决了道路为躲避障碍物或为与环境协调而必须转向时线形指标的设计问题。如直线长度,转弯半径和缓和曲线设置等.那么,解决路线与所经区域内的地面相对关系,路线高度,如何克服高差等,这是纵断面设计需要回答和解决的问题.第一节概述一、关于纵断面图1、路线纵断面定义：沿中线竖直剖切再行展开的断面。它是一条有起伏的空间线，包括两条线：地面线设计线设计线地面线：根据中线上各桩点的高程而点绘的一条不规则的折线。平面确定后，地面线自然就唯一的确定下来。反映了路线中线处的地形起伏情况。设计线：满足一定的技术标准和要求的，由设计人员确定的一条具有规则形状的几何线形，反映了路线的起伏变化情况。2、纵断面线形的组成（1）直线：也称匀坡段。属性由上坡、下坡、坡度和坡长表示（2）竖曲线：采用二次抛物线，缓和车辆在纵断面上的行驶,以保证舒适和安全3、纵断面图中的其他内容二、纵断面设计的内容（任务）1、确定纵坡坡度大小和坡长2、确定竖曲线的半径（长度）3、平、纵面组合设计综合考虑经济、环境保护、安全等因素1、关于坡度坡度=高差/水平距离，用%表示匀坡段是用高差和水平距离表示的，不计斜长上坡为正，下坡为负，平坡为0三、几点规定（习惯做法）Lhi2、关于竖曲线竖曲线分凸型竖曲线和凹型竖曲线两种大小用半径和曲线的水平长度表示，不计曲线长3、关于变坡点变坡点处不计偏角，只计坡度代数差纵断面设计中涉及长度的都是水平距离高度（或高差）都是竖直距离4、关于设计标高（1）新建公路设计标高高速公路和一级公路的设计标高以中央分隔带的外侧边缘标高为基准二、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、加宽前该处边缘标高）（2）改建公路的设计标高一般按新建公路的规定办理，也可视具体情况而采用行车道中线处的标高。第二节汽车行驶特性与纵坡一、速度与纵坡公路的同一设计速度区间内，能给汽车提供同一行驶状态（速度基本相同）—理想的设计平面线形要素依设计速度都有一定值，可以保证按设计速度行驶。在纵坡路段行驶，受汽车性能限制车速受纵坡影响大，制定一个能保证车辆都达到设计速度的纵坡标准，在经济上是不可能的。必须允许汽车在上坡时车速有所降低。降低多少？降低过多，运行效率低，小车与大车车速差别大，大车妨碍小车通行，频繁超车造成事故。在经济允许范围内，尽量少降低车速，设法保证车辆在纵坡路段与其他区间一样能接近设计速度运行。下坡情况如何？平面设计以行驶稳定性控制平面指标设计纵断面设计以汽车行驶状态控制纵坡设计汽车行驶状态（坡底速度，坡顶速度）确定纵坡标准对车辆运行状态的考虑：1、纵坡最大值在坡底，小客车以设计速度开始上坡，到坡顶时能保持平均行驶速度。V＝Vd（设计速度）V＝V平均iV平均为平坦地形路段小客车平均行驶速度在坡底，普通载重车以其最高速度开始上坡，到坡顶时能保持设计速度的一半。V=车辆最高速度V＝0.5Vdi最高速度若大于设计速度则取设计速度2、纵坡一般值（不限长度纵坡）小客车能以平坦地形路段小客车的平均行驶速度匀速上坡普通载重车能以设计速度的1/2速度上坡（匀速）V＝0.5Vd（设计速度）V＝0.5Vd（设计速度）V＝V平均V＝V平均汽车在大于不限长度的纵坡上行驶，必然减速，减速值的大小不仅与坡度大小有关，也与其长度有关，需要研究汽车的动力性能、爬坡过程中速度与坡度大小及坡长的关系。二、汽车的动力及运行特性1.运动学定律使车辆在坡道上按一定速度行驶所需要的动力为：式中：Fv－驱动车辆按速度V行驶所需的力，NWv－车重，NG－重力加速度，9.8m/s2av－车辆的加速度，m/s2T－牵引力，NFr－滚动阻力，NFa－空气阻力，NFg－坡度阻力，NgarvvvFFFTagWF(1)（1）车辆的牵引力T(2)滚动阻力Fr滚动阻力与轮胎类型，路面状况和行驶速度有关，对于子午线轮胎，滚动阻力,可按下式近似计算：C1－参数，子午线轮胎取6，混合轮胎取5.3C2－参数，子午线轮胎取0.068，混合轮胎取0.044TeVPT3600(2))(001.021VCCWFvr(3)式中：Pe－发动机功率（kW）；V－汽车行驶速度（km/h）；－传动效率，取0.85式中：Pe－发动机功率（kW）；V－汽车行驶速度（km/h）；－传动效率，取0.85（3）坡度阻力Fg坡度阻力为车重在平行于路面方向的分力式中：α－坡道的倾角。（4）空气阻力Fa汽车在空气介质中运动时所产生的空气阻力Fa式中：ρ－空气密度，一般取1.2258(N·s2/m4);K－空气阻力系数;A－迎风面积,m2；v－车辆行驶速度，m/s用V（km/h）表达上述公式并化简，得15.212KAVFasinvgWF(4)25.0vKAFa(5)sin5.0)(001.03600221vvTevvWVKAVCCWVpagW根据国外的研究成果，对于载重汽车，空气阻力系数K在0.7～0.6之间，与车辆外形有关，迎风面积与车辆尺寸有关车型迎风面积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汽车的空气阻力系数与迎风面积车辆行驶距离通过下式计算：taVVvnn1式中：V－行驶速度，km/h；Vn－当前时刻的速度，km/h；Vn-1－前一时刻的速度，km/h；s－行驶距离，m；t－时间间隔，计算时可假定为1s。假定初始速度和道路坡度，利用公式(1)就可以算出某型汽车上坡瞬时的加速度，给定时间间隔t，就可利用公式(6)计算出该时间间隔内的行驶距离。25.06.3taVtsv(6)美国的成果距离（m）（km/h)速度标准载重车（120kg/kw）减速行驶速度－距离曲线图（上坡）速度（km/h)距离（m）标准载重车（120kg/kw）加速行驶速度－距离曲线图（下坡）东风EQ-140加、减速行程图(五档)（长安大学理论计算结果）速度（km/h）坡长（m）典型载重汽车（107kg/kw）的速度－距离曲线（标准修订借鉴成果）根据加减速行程图可以确定载重车以任意起始速度（最高110km/h），在不同的坡度或坡度组合路段上坡行驶时，达到一定（或均匀）的速度所行驶的距离。如，载重车V＝110km/h，驶入6％的上坡路段，速度降到60km/h时，行驶距离为750m。若驶入纵坡6％上坡段的速度为60km/h(对应距离为750m)，行驶300m后（到1050m），速度降到43km/h爬坡行驶距离及对应的速度与汽车的重量－功率比有直接的关系。载重车只有在小于3％或更小的纵坡段上才能加速到60km/h可以找出行驶状态对应的距离－速度关系、汽车行驶与纵坡/坡长关系，是纵坡设计的基础。距离（m）（km/h)速度750105043速度（km/h)距离（m）标准载重车（120kg/kw）加速行驶速度－距离曲线图（上、下坡）三、纵坡1、最大纵坡在纵坡设计时各级道路允许采用的最大坡度值（1）作用控制纵坡设计的主要指标之一，在山区和丘陵区，直接影响路线的长短、使用质量、运输成本及造价（2）最大纵坡的确定车型选择《标准》采用的设计车辆是载重8t的东风重型货车（重量/功率比为107kg/kw）最大纵坡确定考虑的因素公路最大纵坡应依据汽车的动力特性、道路等级、自然条件等因素，通过综合分析研究确定，并应考虑车辆行驶安全及工程和运营经济等因素。动力特性：重量功率比不同，爬坡能力不同。公路等级：考虑速度要求，高等级公路交通量大，要求速度高，纵坡路段的降速不宜大。自然条件：最大纵坡标准过高（最大纵坡定的小），实际工程将会出现大的填挖，破坏环境，工程量大，工程投入大。克服过分以工程换速度的做法。交通组成：重车交通占的比例大时，最大纵坡宜小。不通行重型货车的旅游公路最大纵坡可以适当增大。路名最大坡度（‰）坡度比线路长度（km）长度比工程费（万元）费用比运营费（万元/年）宝鸡－秦岭203011.561.944.31.41833347011.771乌斯河－泸沽13161911.231.462432161941.251.1113235827407215041.51.27113771403羊臼河－黑井12161911.331.5839.831.326.61.51.18110281770762211.651.241九府坟－晋城122011.772491.511800098001.81西洋－城口122011.768.650.41.41939868441.41834777资溪－大禾山122011.729191.51310515641.71114117最大纵坡方案与经济的关系最大纵坡规定综上分析，结合汽车爬坡性能曲线和国外实践，《标准》规定的最大纵坡如下。公路最大纵坡规定值设计速度（km/h）1201008060403020最大纵坡（％）3456789其它国家最大纵坡规定（设计速度80km/h以上）设计速度（km/h）8090100110120130140澳大利亚（％）――――3――3――3法国（％）6――5――――――――德国（％）654.5――――――――希腊（％）8754.543――瑞士（％）8――6――4――――意大利（％）6555555加拿大（％）443333――日本（％）4――3――2――――英国（％）3333333美国平原区（％）443333――丘陵区（％）554444――山岭区（％）6655――――――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，最大纵坡可增加1％。设计速度为40km/h、30km／h、20km／h的公路，改建工程利用原有公路的路段，经技术经济论证，最大纵坡可增加1％。四级公路位于海拔2000m以上或积雪冰冻地区的路段，最大纵坡不应大于8％。对桥上及桥头路线的最大纵坡，小桥与涵洞处纵坡应按路线规定采用；大、中桥上纵坡不宜大于4%，紧接大、中桥桥头两端的引道纵坡应与桥上纵坡相同。隧道内纵坡应在0.3％～3％之间，短于100m的隧道不受此限制；紧接隧道洞口的路线纵坡应与隧道内纵坡相同。城市道路最大纵坡约相当于公路按设计速度计的最大纵坡减小1%。在非机动车交通比例较大路段，为照顾其交通要求可根据具体情况将纵坡适当放缓：平原、微丘区一般不大于2%~3%；山岭、重丘区一般不大于4%~5%。2、高原纵坡折减折减原因高海拔地区，空气(稀薄)密度小，汽车发动机功率和驱动力下降，导致汽车的爬坡能力下降汽车水箱中的水易于沸腾而破坏冷却系统纵坡折减值海拔高度（m）3000～40004000～50005000折减值（％）123折减后若小于4％，则最大纵坡仍采用4％3、最小纵坡（1）要求设置最小纵坡的路段挖方路段设置边沟的低填方路段其它横向排水不畅的路段（2）最小纵坡规定不小于0.3%的纵坡（一般情况下以采用不小于0.5%为宜）。对于干旱地区，以及横向排水良好、不产生路面积水的路段，也可不受此最小纵坡的限制。目的：保证路面排水顺畅五、坡长限制坡长指纵断面上相邻两个变坡点之间的长度（水平距离）只有坡度控制不是一个完整的设计控制，还必须考虑与坡度相对应的坡长，而纵坡长度又与车辆的运行状态有关。坡度虽大，若很短，对速度的影响也不会太大，反之，即使纵坡不大，若纵坡很长，对速度的影响会很大。坡度与坡长应统一考虑。坡长限制，是对较陡纵坡的最大长度和一般