第四章 纵断面设计1

2020/2/251第四章纵断面设计4.1概述4.2纵坡设计4.3竖曲线设计4.4高等级道路上的爬坡车道4.5平纵面线形组合设计4.6纵断面设计方法与纵断面设计图复习思考题2020/2/2524.1概述用一曲面沿道路中线竖直剖切，展开成平面称道路的纵断面。反映路线在纵断面上的形状、位置及尺寸的图形叫路线纵断面图，它反映路线所经地区中线之地面起伏情况与设计标高之间的关系,它与平面图、横断面图结合起来，就能够完整地表达道路的空间位置和立体线形。纵断面线形设计应根据道路的性质、任务、等级和地形、地质、水文等因素，考虑路基稳定、排水及工程量等的要求，对纵坡的大小、长短、前后纵坡情况、竖曲线半径大小以及与平面线形的组合关系等进行综合设计，从而设计出纵坡合理、线形平顺圆滑的理想线形，以达到行车安全、快速、舒适、工程费较省、运营费用较少的目的。2020/2/253道路纵断面设计与选线有密切的关系，实际上在选线过程中已做了纵坡大小、坡长分配、纵面与平面配合等的考虑，纵断面设计是将选线的预想具体化，因此，可以认为纵断面设计是选线工作的继续和深化。当然，在纵断面设计过程中还将对选线的预想做些适当的修正，如果在选线过程中对纵坡值考虑不够，就可能改线。2020/2/254在具体设计纵坡时，需了解一些关于纵坡的基础知识。第一，对路基设计标高的规定。对于新建公路，高速公路和一级公路采用中央分隔带外侧边缘标高，二、三、四级公路采用路基边缘标高，在设置超高和加宽路段则是指在设置超高加宽之前该处标高；对于改建公路，一般按新建公路的规定办理，也可以采用中央分隔带中线或行车道中线标高。对城市道路而言，路基设计标高一般是指车行道中心。第二，纵坡度的表示方式不用角度，而用百分数（％），即每一百米的路线长度其两端高差几米，就是该路段的纵坡，其上坡为“＋”，下坡为“－”。例如某段路线长度为８０米，高差为－２米，则纵坡度为－2.5％。第三，一般认为道路上３％的纵坡对汽车行驶不造成困难，即上坡时不必换档，下坡时不必刹车。对于小于３％的纵坡，可以不作特殊考虑，只是为了排水的需要（公路边沟的沟底纵坡与路线纵坡一般是相同的），一般要有一个不小于最小纵坡的坡度。如果排水上无困难，可以用平坡。但是采用了大于５％的纵坡时，必须慎重考虑，因为纵坡太大，上坡时汽车的燃料消耗过大，而下坡时又必须用刹车，重车或有拖挂车的车辆都易出事故，对运输经济与安全极为不利。2020/2/255在路线的测设过程中，平面设计和纵断面设计是分开进行的，这样做固然有其方便之处。但是，必须注意平面设计和纵断面设计要互相配合，设计中要发挥设计人员对平、纵组合的空间想象力，否则，不可避免会在技术经济上和美学上产生缺陷。纵断面设计是路基设计、桥涵设计及其它设计的基础，要与道路上行驶的汽车的技术性能相适应，满足汽车行驶力学要求、驾驶员视觉及心理要求和乘客的舒适性要求，主要解决道路线形在纵断面上的位置、形状和尺寸问题，在路线纵断面图上决定坡度坡长、竖曲线半径等数值以及做有关的计算工作。道路纵断面线形由直线和竖曲线组成，其设计内容包括纵坡设计和竖曲线设计两项。通过纵断面设计所完成的纵断面图是道路设计文件重要内容之一。2020/2/2564.2纵坡设计1.纵坡度2.坡长限制3.合成坡度4.纵坡设计的一般要求2020/2/2571.纵坡度（1）最大纵坡（2）最小纵坡（3）平均纵坡（4）高原纵坡折减2020/2/2581.最大纵坡最大纵坡是道路纵坡设计的极限值，是纵面线形设计的一项重要指标。最大纵坡的大小将直接影响路线的长短、使用质量、行车安全以及运营成本和工程的经济性。制定最大纵坡主要是依据汽车的动力特性、道路等级、自然条件、车辆行驶安全以及工程、运营经济等因素进行确定。汽车沿陡坡行驶时，因升坡阻力增加而需增大牵引力，从而降低车速，若长时间爬陡坡，不但会引起汽车水箱沸腾、气阻，使行驶无力以致发动机熄火，使驾驶条件恶化，而且在爬坡时汽车的机件磨损也将增大。因此，应从汽车爬坡能力考虑对最大纵坡加以限制。与上坡相比，汽车下坡时的安全性更为重要。汽车下坡时，制动次数增加，制动器易因发热而失效，司机心理紧张，也容易发生车祸。根据行车事故调查分析，坡度大于8％、坡长为360m或坡长很短但坡度很大（１１％～１２％）的路段下坡的终点是发生交通事故的主要地点；同时，调查资料表明，当纵坡大于8.5％时，刹车次数急增，所以，最大纵坡的制定从下坡安全来考虑，其最大值应控制在８％为宜。另外，还要考虑拖挂车的要求。调查资料表明，拖挂车爬8％的纵坡需用一档；爬７～８％的纵坡需用二档或一档，从不致使拖挂车行驶困难来看，最大纵坡也应控制在8％为宜。2020/2/259根据上述因素，考虑到工程经济及我国车辆的具体情况，《标准》和《城市道路设计规范》分别对我国公路和城市道路的最大纵坡作出了如下规定，见表4－1．表4－2。各级公路最大纵坡表4-1公路等级高速公路一二三四计算行车速度（km∕h）120100806010060804060304020最大纵坡（%）345546576869注：高速公路受地形条件或其它特殊情况限制时，经技术经济论证，最大纵坡可增加1%。城市道路最大纵坡表4-2计算行车速度（km∕h）806050403020最大纵坡度推荐值（%）455.5678最大纵坡度限制值（%）6789注：①海拔3000～4000m的高原城市道路的最大纵坡度推荐值按表列数值减小1%。②积雪寒冷地区最大纵坡度推荐值不得超过6%。2020/2/2510但大、中桥上的纵坡不宜大于４％，桥头引道的纵坡不宜大于５％，位于市镇附近非汽车交通较多的地段，桥上及桥头引道的纵坡均不得大于３％，紧接大、中桥桥头两端引道的纵坡应与桥上纵坡相同。隧道内纵坡不应大于３％，并不小于０.３％（独立明洞和短于50m的隧道其纵坡不受此限制），紧接隧道洞口的路线纵坡应与隧道内纵坡相同。在非汽车交通比例较大的路段，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％。2020/2/25112．最小纵坡为了保证挖方地段、设置边沟的低填方地段和横向排水不畅地段的纵向排水，防止积水渗入路基而影响其稳定，规定各级公路的长路堑路段、以及其它横向排水不畅的路段，均应采用不小于０.３％的纵坡。当必须设计水平坡（０％）或小于０.３％的纵坡时，边沟排水设计应与纵坡设计一起综合考虑，其边沟应作纵向排水设计，在城市道路中一般可采用设置锯齿形偏沟或采取其它排水措施来处理。2020/2/25123．平均纵坡在道路设计中，平均纵坡是指一定路线长度范围内，路线两端点的高差与路线长度的比值。平均纵坡是衡量路线线形设计质量的重要指标之一。根据对山区道路行车的实际调查发现，有时虽然道路纵坡设计完全符合最大纵坡、坡长限制及缓和坡长规定，但也不能保证行车顺利安全。如果在长距离内，平均纵坡较大，汽车上坡用二档时间较长，发动机长时间发热，易导致汽车水箱沸腾、气阻；同样，汽车下坡时，频繁刹车，易引起制动器发热，甚至烧毁制动片，加之司机心理过分紧张，极易发生事故。因此，从汽车行驶方便和安全出发，为了合理利用最大纵坡、坡长和缓和坡段的规定，还要控制平均纵坡。平均纵坡是在宏观上控制路线纵坡。lHip(4-1)式中：ip－平均纵坡；l－路线长度（m）；H－路线长度l两端的高差(m)。《标准》规定，二级、三级、四级公路越岭路线的平均纵坡，一般以接近5.5％（相对高差为２００～５００m）和５％（相对高差大于５００m）为宜，并注意任何相连３km路段的平均纵坡不宜大于5.5％。2020/2/25134.高原纵坡折减在海拔高度较高地区，汽车发动机的功率会因空气稀薄而降低，相应地降低了汽车的爬坡能力，因此对海拔高度在３０００m以上地区公路最大纵坡应予以折减，折减值见表4－3。经折减后的最大纵坡如小于4％，则仍用4％。高原纵坡折减值表4－3海拔高度（m）3000～4000＞4000～50005000以上折减值（%）1232020/2/25142.坡长限制（1）最大坡长限制（2）最小坡长限制（3）组合坡长2020/2/25151．最大坡长限制坡长限制，系根据汽车动力性能来决定的。长距离的陡坡对汽车行驶不利。连续上坡，发动机过热影响机械效率，从而使行驶条件恶化；下坡则因刹车频繁而危及行车安全，因此，应对陡坡的长度有所限制。《标准》和《城市道路设计规范》对陡坡的最大坡长限制见表4－4和表4－5。对城市道路来讲，坡长限制还应考虑到非机动车的要求，《城市道路设计规范》的规定如表4－6具体应用时，高速公路和一级公路纵坡及坡长限制的选用应充分考虑车辆运行质量的要求。对高速公路来讲，即使是2％的纵坡，坡长也不宜过长。为了改善汽车在较陡坡道上行驶的不利状况，避免长时间使用低档爬坡，减轻汽车机件负荷和减少下坡汽车刹车次数，降低制动器过高的温度，使行车缓和，各级公路当连续纵坡较大时，应在不大于表4－4所规定的长度两端设缓和坡段。城市道路设计纵坡超过５％，坡长超过表4—5规定值时，也应设缓和坡段，缓和坡段的纵坡应不大于３％，其最小长度应符合最小坡长限制的规定。2020/2/2516各级公路纵坡长度限制（m）表4－4公路等级高速公路一二三四计算行车速度（km∕h）12010080601006080406030402039001000110012001000120011004700800900100080010009001100100011001100120056007008008007009008009009001000650060060070060070070080075005006008300400纵坡坡度（%）92002020/2/25172．最小坡长限制最小坡长是指相邻两个变坡点之间的最小长度。若其长度过短，就会使变坡点个数增加，行车时颠簸频繁，当坡度差较大时还容易造成视觉的中断，视距不良，从而影响到行车的平顺性和安全性。另外，从线形的几何构成来看，纵断面是由一系列的直坡段和竖曲线所构成，若坡长过短，则不能满足设置最短竖曲线这一几何条件的要求。为使纵断面线形不至因起伏频繁而呈锯齿形的状况，并便于平面线形的合理布设，故应对纵坡的最小长度做出限制。最小坡长通常以计算行车速度行驶９～１５s的行程作为规定值。一般在计算行车速度大于或等于６０Ｋｍ／ｈ时取９ｓ，计算行车速度为４０Ｋｍ／ｈ时取１１ｓ，计算行车速度为２０Ｋｍ／ｈ时取１５ｓ2020/2/2518《标准》和《城市道路设计规范》对各级公路和城市道路的最小坡长规定见表4－7和表4－8。各级公路最小坡长表4－7公路等级高速公路一二三四计算行车速度（km∕h）120100806010060804060304020最小坡长（m）30025020015025015020012015010010060城市道路纵坡坡段最小长度表4－8计算行车速度（km∕h）806050403020坡段最小长度（m）29017014011085602020/2/25193.组合坡长当连续陡坡是由几个不同受限坡度值的坡段组合而成时，应按不同坡度的坡长限制折算确定。如三级公路某段8％的纵坡，长为120m，该长度是相应限制坡长(300m)的2/5，如相邻坡段的纵坡为7％,则其坡长不应超过相应限制坡长(500m)的(1-2/5)，即500×3/5=300m，也就是说8％纵坡设计120m后，还可以接着设计7％纵坡段300m或6％纵坡段480m，其后再设置缓和坡段。2020/2/25203、合成坡度道路在平曲线路段，若纵向有纵坡且横向又有超高时，则最大坡度在纵坡和超高横坡所合成的方向上，这时的最大坡度称为合成坡度，如图4－1。其值可按下式计算：22ciziHi(4-1)式中：Hi合成坡度；Zi路线纵坡；ci超高横坡。在陡坡急弯处，若合成坡度过大，将产生附加阻力、汽车重心偏移等不良现象，给行车安全带来影响,为防止汽车沿合成坡度方向滑移，应对由超高横坡和路线纵坡组成的合成坡度加以限制。2