第四章 道路纵断面设计

第三章纵断面设计第一节概述一、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高程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高程（在设置超高、加宽地段为设超高、加宽前该处边缘高程）（2）改建公路的设计高程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高程。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、行驶力学1.汽车的行驶阻力汽车行驶阻力：空气阻力、道路阻力（滚动阻力、坡度阻力）和惯性阻力。空气阻力Rw(N)：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。由空气动力学：Rw=K·A·V2/21.15道路阻力RR(N)：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，包括滚动阻力和坡度阻力。RR=G·（f+i）汽车在坡度i（倾角α）的道路上行驶时，车重G在平行于路面方向的分力为G·sinα=G·i，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。惯性阻力RI(N)：汽车的质量分为平移质量和旋转质量（如飞轮、齿轮、传动轴和车轮等）两部分汽车变速行驶时，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RI表示。RI=δ·(G/g)·a2.汽车行驶驱动力建议自学三、车辆在坡道的运行特性具有相同重量/功率比的车辆，具有相同的爬坡能力。小客车由于其自身良好的动力性能，在坡道上行驶时，受纵坡的影响小美国：几乎所有的小客车都能适应4%~5%陡坡，而且不会减速，纵坡设计比较容易满足其要求，主要考虑载重车的影响。美国在制定纵坡设计标准时，选择重量/功率比为200磅/马力（120kg/kw）为标准重型载重车辆作为设计车辆。其爬坡性能曲线如下：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（上、下坡）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）四、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（功率/重量比为9.3W/kg）最大纵坡确定考虑的因素公路等级：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。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。地形条件：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。经济条件：最大纵坡越大，工程费用越省，但运营费用高，需统筹考虑。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城市道路考虑非机动车情况，最大纵坡的规定比公路严格，一般比公路规定小1％，参见有关规范。海拔2000m以上，冰冻积雪地区，最大纵坡不大于8％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％理想的最大纵坡和不限长度的最大纵坡自学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。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纵坡的最小长度以及缓和坡段长度的限制。i3i1边坡点L边坡点i21.最大坡长的限制（1）限制最大坡长的原因汽车在长距离的陡坡上行驶时，行车速度会显著下降，甚至要换低速档克服坡度阻力，使车辆间相互干扰增加，通行能力下降多。易使水箱沸腾，爬坡无力。下坡时，则因坡度过陡，坡段过长频繁刹车，影响行车安全。（2）最大坡长限制计算与规定考虑因素：汽车爬坡能力（选择质量/功率比）我国：选择8t载重车，功率/重量比是9.3W/kg（107kg/kw）美国：120kg/kw，载重车进入坡道时的速度，取载重车的最大速度，或平均行驶速度坡道上的最低速度，考虑安全要求，与设计速度有关。高速公路最低60km/h，多数公路上为40～60km/h。两者的差值是确定最大坡长限制的依据，其大小影响行车安全性。美国取10mph（16km/h）我国缺乏研究，借鉴美国的规定。适当放宽，为20km/h速度差（km/h）事故率（每亿车公里）速差25km/h的事故率是15km/h的2.4倍减速坡长（m）坡度（％）距离（m）（km/h)速度50014009575设计速度(km/h)1201008060403020纵坡坡度(%)390010001100120047008009001000110011001200560070080090090010006500600700700800750050060083004009200连续上坡或下坡时，应在不大于规定的限制纵坡长度范围内，设置缓和坡段。缓和坡段的纵坡应不大于3%，其长度应符合最小纵坡长度的规定。2.最小坡长（1）规定最小坡长的原因纵断面上若变坡点过多，纵向起伏变化频繁影响了行车的舒适和安全；相邻变坡点之间的距离不宜过短，便插入适当的竖曲线来缓和纵坡的要求，同时也便于平纵面线形的合理组合与布置。（2）最小坡长要求最小坡长通常规定汽车以设计速度行驶9s～15s的行程为宜。六、缓和坡段1.作用对于上坡，当陡坡的长度达到限制坡长时，应安排一段缓坡，用以恢复在陡坡上降低的速度。对于下坡，如缓坡满足了一定长度，就可不用制动，对操纵起缓冲作用，有利于行车安全。2.大小规定《标准》规定，缓和坡段的纵坡应小于3％，长度应满足最短坡长规定。3.设置要求①宜设置在直线或较大半径平曲线上。②地形困难时，可设在较小半径平曲线上，但缓坡长度应适当增加，以使缓和坡段端部的竖曲线位于小半径平曲线之外。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）七、平均纵坡平均纵坡：一定长度的路段纵向所克服的高差与路线长度之比它是衡量纵面线形质量的一个重要指标LHip1、限制平均纵坡的意义在高差较大地区，为了防止交替使用极限长度的最大纵坡和最短长度的缓坡形成“台阶式”纵断面线形，以提高行车质量。避免出现合法不合理的纵断面设计。2、规定二级、三级、四级公路越岭路段：相对高差为200m～500m时，平均纵坡以接近5.5%为宜；越岭路段相对高差大于500m时，平均纵坡以接近5.0%为宜；任何相连3km路段的平均纵坡不宜大于5.5%。高速公路、一级公路的平均纵坡需要针对具体情况作出相应限制。八、合成坡度1.合成坡度在设有超高的平曲线上，路线纵坡与超高横坡所组成的坡度，其方向即流水线方向。2、控制合成坡度的目的控制合成坡度，目的是限制急弯和陡坡的组合，防止车辆在弯道上行驶时由于合成坡度过大而引起的不适和危险。22hiiI第三