2019最新【道路工程】第三章平面设计物理

道路工程——道路路线设计交通运输与物流学院李娟长安大学公路学院长安大学公路学院第三章道路平面道路：一条三维空间的实体，是由路基、路面、桥梁、涵洞、隧道等组成的空间带状构造物。路线：道路中线的空间位置。线形：道路中心线的立体形状。路线平面：路线在水平面上的投影。路线纵断面：沿中线竖直剖切再行展开的断面（展开是指展开平面、纵坡不变）。路线横断面：中线上任一点的法向切面。路线设计：确定路线空间位置和各部分的几何尺寸。相关概念：道路平面汽车行驶轨迹：行驶中的汽车其重心的轨迹在几何性质上有以下特征：①轨迹是连续的、圆滑的，任一点不出现错头和破折。②曲率是连续的，任一点不出现两个曲率值。③曲率变化是连续的，任一点不出现两个曲率变化率值。道路平面不满足第二、三条性质，但满足第一条要求，满足了车辆的直行和转向要求，可作为低等级山区道路采用。直线－圆曲线－直线道路平面为满足第二条要求，在直线与圆曲线间引入了一条曲率逐渐变化的“缓和曲线”，使整条线形符合汽车行驶轨迹特性的第一条和二条，保持了线形的曲率连续。它不满足第三条要求，不是最理想的，但与汽车行驶轨迹接近，国内外普遍采用。直线－缓和曲线－圆曲线－缓和曲线－直线道路平面汽车前轮转向角：角度为零角度为常数角度为变数行驶轨迹为：曲率为零的线形—直线曲率为常数的线形—圆曲线曲率为变数的线形—缓和曲线道路平面线形正是由上述三种线形，即直线、圆曲线和缓和曲线构成，称之为“平面线形三要素”。123道路平面一、直线的特点4.1直线优点：两点之间距离最短。具有短捷、直达的印象。行驶受力简单，方向明确，驾驶操作简易。测设简单方便（用简单的就可以精确量距、放样等）。在直线上设构造物更具经济性。道路平面缺点：直线单一无变化，与地形及线形自身难以协调。过长的直线在交通量不大且景观缺乏变化时，易使驾驶人员感到单调、疲倦。在直线纵坡路段，易错误估计车间距离、行车速度及上坡坡度。易对长直线估计得过短或产生急躁情绪，超速行驶。道路平面采用直线线形时必须注意线形与地形的关系，在运用直线线形并决定其长度时，必须慎重考虑。一般不宜采用长直线！！！！路线完全不受地形、地物限制的平坦地区或山间的宽阔河谷地带；城镇及其近郊道路，或以直线为主体进行规划的地区；长大桥梁、隧道等构造物路段；路线交叉点及其附近；双车道公路提供超车的路段。二、直线的运用道路平面1．直线的最大长度我国《标准》和《规范》对直线的最大长度没有具体的规定，但原则规定直线的最大长度应有所限制，尽量避免长直线。最大长度主要应根据驾驶员的视觉反应及心理上的承受能力来确定。一般认为：直线的最大长度在城镇附近或其他景色有变化的地点大于20V（km/h）即72s行程,是可以接受的；在景色单调的地点最好控制在20V（km/h）以内；而在特殊的地理条件下应特殊处理。二、直线的长度道路平面当直线长度大于1km时，可采用下列技术措施予以弥补：纵坡不应过大，一般应小于3%。同大半径凹型竖曲线结合为宜。两侧地形过于空旷时，宜采取栽植不同树种或设置一定建筑物等措施。长直线或长下坡尽头的平曲线，应对路面超高、停车视距等进行检验，必要时须采用设置标志、增加路面抗滑能力等安全措施。道路平面知识拓展——直线的最大长度由于长直线的安全性差，一些国家对直线的最大长度作了规定：德国规定不超过20V（V是设计车速，用km/h表示，20V相当于72s的行程）；前苏联规定为8km；美国为4.83km。我国目前尚无统一的规定。在运用直线线形并确定其长度时。必须持谨慎态度。总的原则是：公路线形应与地形相适应，与景观相协调，直线的最大长度应有所限制，当采用长直线时，为弥补景观单调的缺陷，应结合具体情况采取相应的技术措施。道路平面相邻两曲线之间应有一定长度的直线，这个直线是指前一曲线的终点（HZ或YZ）到后一曲线的起点（ZH或ZY）之间的长度。2．直线的最小长度道路平面（1）同向曲线间的直线最小长度同向曲线：是指两个转向相同的相邻曲线之间连以直线而形成的平面线形。断背曲线：同向曲线间以短直线相连而成的曲线。道路平面断背曲线的错觉：①当直线较短时，在视觉上容易形成直线与两端曲线构成反弯的错觉；②当直线过短甚至把两个曲线看成是一个曲线。危害：破坏了线形的连续性，造成驾驶操作失误，应尽量避免。解决办法：因为是视觉上的判断错觉，最好的办法是在两同向曲线间插入长的直线段，如果条件允许可以考虑插入大半径曲线或组成复曲线。道路平面《规范》规定：当设计速度≥60km/h时，同向曲线间的直线最小长度（以m计）以不小于设计速度（以km/h计）的6倍为宜；当地形条件及其它特殊情况限制时，最小直线长度不得小于设计速度(以km/h计)的3倍。对于设计速度≤40km/h时，参考执行即可。在受到条件限制时，宜将同向曲线改为大半径曲线或将两曲线作成复曲线、卵形曲线或C形曲线。道路平面（2）反向曲线间直线的最小长度反向曲线：两个转向相反的相邻曲线之间连以直线所形成的平面线形。对反向曲线间直线最小长度的规定，主要考虑到其超高和加宽缓和的需要，以及驾驶人员操作的方便。α2α1JD1JD2道路平面《规范》规定：当设计速度≥60km/h时，反向曲线间直线最小长度（以m计）以不小于设计速度（以km/h计）的2倍为宜。当直线两端设置有缓和曲线时，也可以直接相连，构成S型曲线。当设计速度≤40km/h时，可参照下述规定执行：三、四级公路无超高加宽，可径相衔接；无超高而有加宽时，中间有长度不小于10m的加宽缓和段；四级公路设置超高时，中间直线长度不得小于15m。2Vl道路平面（3）相邻回头曲线间的直线最小长度回头曲线是指山区公路为克服高差在同一坡面上回头展线时所采用的曲线。《规范》规定，在回头曲线之间，前一回头曲线的终点至后一回头曲线起点的距离宜满足下表的要求。道路平面4.2圆曲线圆曲线特点：（1）曲线上任意一点的曲率半径R为常数，故测设比缓和曲线简便（2）圆曲线上的每一点都在不断地改变方向，因而汽车在圆曲线上的行驶要受到离心力，当速度一定时，其离心力为一常量。同时，汽车在平曲线上行驶时要多占用路面宽度道路平面（3）汽车在圆曲线内侧行驶时，视线受到路堑边坡或其它障碍物的影响，视距条件差，容易发生交通事故（4）较大半径的长缓圆曲线具有线形美观、顺适、行车舒适等特点，是公路上常采用的线形路线转折处一般采用圆曲线连接道路平面知识拓展——圆曲线的几何要素L2TJ1)2αR(secERα180πL2αRtgT里程桩号计算ZY=JD-TYZ=ZY+LQZ=ZY+L/2JD=QZ+J/2道路平面假定：汽车在圆曲线上作匀速圆运动。离心力：汽车在弯道上，由于惯性产生离心力。作用点：汽车重心。方向：水平背离圆心。大小：离心力的影响：对汽车在平曲线上行驶的稳定性影响很大，可能产生横向滑移或横向倾覆。gRGvC2道路平面一、圆曲线半径汽车在曲线上行驶不稳定：汽车有向曲线外侧滑移和倾覆的可能。车速越大，离心力越大，曲线半径越小，离心力越大。道路平面道路平面sincosGCYcosGcosCsinGGCsinCcosGcosCsinGGCsinCsincosGCY横向力离心力：gRGvRvmC22iRVigRvGY12722横向力:单位车重的横向力系数μ：itansin,1cosGigRGvGiCY2道路平面横向力系数μ表示汽车单位重量受到的横向力，可以表示汽车在曲线上行驶时横向的稳定程度，μ值越大，表示横向越不稳定，汽车就可能产生侧向滑移。横向倾覆：汽车在横向力的作用下，可能产生绕外侧车轮触地点向外倾覆的危险。道路平面iRVigRvGY12722横向力系数μ：横向稳定条件：倾覆力矩小于或等于稳定力矩。即2)(2bGCibYXhhgC·ih比G小得多，可略去不计，则ghbGX2hiRV1272hgihbVR21272道路平面横向滑移：汽车在横向力的作用下，可能产生沿横向力方向的侧向滑移。稳定条件：横向力小于或等于轮胎与路面之间的横向附着力。即：利用此式可计算出汽车在平曲线上行驶时，不产生横向滑移的最小平曲线半径R或最大允许行驶速度V。hhGCXhGXφh——横向附着系数hhiVR1272道路平面汽车在平曲线上行驶时的横向稳定性主要取决于横向力系数值的大小。现代汽车在设计制造时重心较低，一般汽车在平曲线上行驶时，在发生横向倾覆之前先产生横向滑移现象。在道路设计中应保证汽车不产生横向滑移，同时也就保证了横向倾覆的稳定性。ghb212ghbhghb2道路平面圆曲线半径：行驶在曲线内侧：行驶在曲线外侧：)(1272iVR道路平面iRV1272iRV1272)(1272iVR在指定车速V下，极限最小半径决定于容许的最大横向力系数和该曲线的最大超高。汽车在弯道上行驶对乘客的舒适感μ值乘客的舒适感≤0.10转弯时不感到有曲线存在，很平稳0.15转弯时感到有曲线存在，尚平稳0.20转弯时已感到有曲线存在，略感到不稳0.35转弯时感到有曲线存在，已感到不稳定0.40转弯时非常不稳定，站立不住而有倾倒危险道路平面μ的舒适界限，由0.10～0.17随行车速度而变化，设计中对高、低速路可取不同的数值。美国AASHTO认为V≤70km/h时μ=0.16，V=80km/h时，μ=0.12是舒适感的界限。综上所述对行车的安全、经济与舒适方面的要求，最大横向力系数采用：设计速度1201008060403020横向力系数0.10.120.130.150.150.160.17道路平面二、圆曲线最小半径选用圆曲线半径分：极限最小半径不设超高的最小半径一般最小半径极限最小半径≤一般最小半径≤不设超高的最小半径道路平面1.极限最小半径：圆曲线半径采用的最小极限值，此时设置最大超高。公路μ=0.15（0.10~0.17）最大超高i取8%，城市道路郊区超高用2%~6%道路平面横向力系数及超高计算公路圆曲线极限最小半径值道路平面设计速度（km/h）1201008060403020横向力系数0.100.120.130.150.150.160.17超高值（%）6710440270135603515865040025012555301510570360220115503015计算行车速度（km/h）806050403020不设超高的最小半径100060040030015070设超高的推荐半径4003002001459040设超高的极限最小半径250150100704020城市道路圆曲线最小半径（单位：m）道路平面注意：位于平地或下坡的长直线尽头，不应采用小半径平曲线。大、中桥隧道内一般应为直线，必须设置曲线时，应尽量采用较大半径，至少不小于不设超高的最小半径。强调说明：极限最小半径是路线设计中的极限值，是在特殊困难条件下不得已才使用的，一般不轻易采用。道路平面2.不设超高的最小半径：道路曲线半径较大，离心力较小时，汽车沿双向路拱（不设超高）外侧行驶的路面摩擦力足以保证汽车行驶安全稳定时所采用的最小半径。城市道路μ=0.067公路μ=0.035或0.04道路平面不设超高的圆曲线最小半径道路平面不设超高的最小半径时，路拱坡度为0.015，μ=0.035路拱坡度为0.020，μ=0.040路拱坡度为0.025，μ=0.040路拱坡度为0.030，μ=0.045路拱坡度为0.035，μ=0.050当路拱坡度≤2.0%，始终保持μ-i=0.02当路拱坡度＞2.0%，始终保持μ-i=0.015设计速度（km/h）1201008060403020一般最小半径10007004002001006530极限最小半径650400250125603015不设超高最小半径路拱≤2.0%5500400025001500600350150路拱＞2.0%7500525033501900800450200公路圆曲线最小半径（单位：m）道