第三章縱斷面設(shè)計(jì)

第三章縱斷面設(shè)計(jì)本章框架第一節(jié)概述第二節(jié)汽車的動力特性與縱坡第三節(jié)豎曲線第四節(jié)爬坡車道第五節(jié)避險(xiǎn)車道第六節(jié)縱斷面設(shè)計(jì)方法及縱斷面圖第一節(jié)概述路線縱斷面：沿著道路中線豎直剖切然后展開即為路線縱斷面。在縱斷面圖上有兩條主要的線：一條是地面線，反映了沿著中線地面的起伏變化情況；另一條是設(shè)計(jì)線，反映了道路路線的起伏變化情況。縱斷面設(shè)計(jì)線是由直坡線和豎曲線組成的。直坡線（均勻坡度線）有上坡和下坡，其大小用縱坡和坡長表示?？v坡：縱斷面上同一坡段兩點(diǎn)間的高差與其水平距離的比值，以百分比計(jì)。變坡點(diǎn)：不同縱坡轉(zhuǎn)折處稱變坡點(diǎn)?！兑?guī)范》規(guī)定的路基設(shè)計(jì)高程：新建公路高速公路和一級公路采用中央分隔帶的外側(cè)邊緣標(biāo)高；二、三、四級公路采用路基邊緣高程，在設(shè)置超高、加寬地段為設(shè)超高、加寬前該處邊緣高程。改建公路一般按新建公路的規(guī)定辦理，也可視具體情況而采用行車道中線處的高程。城市道路中央分隔帶邊緣、中線或行車道外側(cè)邊緣?？v斷面設(shè)計(jì)的主要任務(wù)：根據(jù)汽車的動力特性、道路等級、地形、地物、水文地質(zhì)，綜合考慮路基穩(wěn)定、排水以及工程經(jīng)濟(jì)等，研究縱坡的大小、長短、豎曲線半徑等。第二節(jié)汽車的動力特性與縱坡一、汽車的動力因數(shù)和最大縱坡（一）汽車驅(qū)動力熱能－機(jī)械能（P）－曲軸扭矩M（n）－驅(qū)動輪扭矩M

K發(fā)動機(jī)曲軸扭矩M

發(fā)動機(jī)特性曲線：將發(fā)動機(jī)的功率P、扭矩M以及燃油消耗率g與發(fā)動機(jī)曲軸的轉(zhuǎn)速n之間的函數(shù)關(guān)系。如果發(fā)動機(jī)節(jié)流閥全開，則稱發(fā)動機(jī)外特性曲線發(fā)動機(jī)外特性曲線。如果節(jié)流閥部分開啟，則稱發(fā)動機(jī)部分負(fù)荷特性曲線。e驅(qū)動輪扭矩M

根據(jù)受力情況的不同，汽車車輪分為驅(qū)動輪與從動輪。

驅(qū)動輪上有發(fā)動機(jī)曲軸傳來的扭矩M，在扭矩的作用下驅(qū)使車輪滾動前進(jìn)。

從動輪上則無扭矩的作用，它是借助驅(qū)動輪上力經(jīng)車架傳至從動輪的輪軸上產(chǎn)生運(yùn)動的。kk汽車的驅(qū)動力低排擋：高排擋（二）汽車的行駛阻力（空氣阻力+道路阻力+慣性阻力）空氣阻力

定義：汽車迎面空氣質(zhì)點(diǎn)的壓力、車后的真空吸力及空氣質(zhì)點(diǎn)與車身表面的摩擦力等阻礙汽車前進(jìn)的阻力?？諝庾枇ζ囆旭偟膭恿π院腿剂舷牡慕?jīng)濟(jì)性影響較大。(100km/h，1/2P)道路阻力（滾動阻力＋坡度阻力）（1）滾動阻力彈性輪胎反復(fù)變形時，其材料內(nèi)部發(fā)生摩擦要消耗一部分功率。在柔性路面上的汽車行駛時不僅輪胎變形，而且路面也會變形，其接觸面之間產(chǎn)生摩擦要消耗部分功率。由于路面的不平整而造成輪胎震動和撞擊消耗部分功率。（2）坡度阻力慣性阻力慣性阻力：汽車變速行駛時，需要克服其質(zhì)量變速運(yùn)動時產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩，用R表示。汽車的質(zhì)量分為平移質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)質(zhì)量兩部分。變速時平移質(zhì)量產(chǎn)生慣性力，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量產(chǎn)生慣性力矩。I（三）汽車行駛條件汽車的運(yùn)動方程式當(dāng)驅(qū)動力與各種行駛阻力之代數(shù)和相等的時候，稱為驅(qū)動平衡。驅(qū)動平衡方程式：汽車的行駛條件當(dāng)驅(qū)動力等于各種行駛阻力之和時，汽車就等速行駛；當(dāng)驅(qū)動力大于各種行駛阻力之和時，汽車就加速行駛；當(dāng)驅(qū)動力小于各種阻力之和時，汽車就減速行駛，直至停車。所以要使汽車行駛，必須具有足夠的驅(qū)動力來克服各種行駛阻力，即上式是汽車行駛的必要條件（即驅(qū)動條件）。汽車是否正常行駛，還要受輪胎與路面之間附著條件的制約。

汽車行駛的充分條件是驅(qū)動力小于或等于輪胎與路面之間的附著力，即：根據(jù)以上汽車行駛條件，在實(shí)際工作中對路面提出了一定要求：從宏觀上講要求路面平整而堅(jiān)實(shí)，盡量減小滾動阻力，從微觀上講又要求路面粗糙而不滑，以增大附著力。（四）汽車的動力因數(shù)驅(qū)動平衡方程式汽車的后備驅(qū)動力，其值與汽車的構(gòu)造和行駛速度有關(guān)；道路阻力和慣性阻力之和，其值與道路狀況和汽車的行駛方式有關(guān)。

（五）汽車的行駛狀態(tài)（六）理想最大縱坡和不限長度最大縱坡理想最大縱坡：設(shè)計(jì)車型在油門全開的情況下，持續(xù)以希望速度等速行駛所能克服的縱坡。希望速度對小客車為設(shè)計(jì)速度，對載重車為汽車的最大行駛速度。設(shè)希望速度為，理想最大縱坡為，動力因數(shù)為，因等速行駛，則不限長度最大縱坡：設(shè)計(jì)車型在油門全開情況下，持續(xù)以容許速度等速行駛所能克服的縱坡。容許速度一般為設(shè)計(jì)速度的1/2～2/3，高速路取低限，低速路取高限。當(dāng)汽車在坡度小于或等于不限長度最大縱坡的坡道上行駛時，只要初速度大于容許速度，汽車至多減速到容許速度；當(dāng)坡度大于不限長度的最大縱坡時，為防止汽車行駛速度低于容許速度，應(yīng)對其坡長加以限制。（七）最大縱坡最大縱坡：是根據(jù)道路等級、自然條件、行車要求等因素所限定的路線縱坡最大值，它是道路縱斷面設(shè)計(jì)的重要控制指標(biāo)。我國《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的最大縱坡值見下表。設(shè)計(jì)速度（km/h）1201008060403020最大縱坡3456789城市道路最大縱坡約相當(dāng)于公路按設(shè)計(jì)速度計(jì)的最大縱坡減小1%。高速公路受地形條件或其他特殊情況限制時，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證合理，最大縱坡可增加1%。位于海拔2000m以上或嚴(yán)寒冰凍地區(qū)，四級公路山嶺、重丘區(qū)的最大縱坡不應(yīng)大于8%。設(shè)計(jì)速度小于或等于80km/h、在位于海拔3000m以上的高原地區(qū)，最大縱坡值應(yīng)按表4-3的規(guī)定予以折減。折減后若小于4%，仍采用4%。在非機(jī)動車交通比例較大路段，為照顧其交通要求可根據(jù)具體情況將縱坡適當(dāng)放緩：平原、微丘區(qū)一般不大于2%~3%；山嶺、重丘區(qū)一般不大于4%~5%。二、汽車的加、減速行程和坡長限制（一）加、減速行程（略）（二）坡長限制坡長：是縱斷面相鄰變坡點(diǎn)的樁號之差，即水平距離。對一定縱坡長度的限制稱為坡長限制，包括最大坡長限制和最小坡長限制。最大坡長限制最大坡長限制：是指控制汽車在坡道上行駛，當(dāng)車速下降到最低容許速度時所行駛的距離。最低容許速度對應(yīng)的縱坡為不限長度最大縱坡，凡大于該值的縱坡其長度都應(yīng)加以限制?？v坡越陡，坡長越長，對行車影響也越大。主要表現(xiàn)在：行駛速度顯著下降，甚至換低排檔克服坡度阻力；易使水箱“開鍋”，導(dǎo)致汽車爬坡無力，甚至熄火；下坡行駛制動次數(shù)頻繁，易使制動器失效，甚至造成車禍；影響通行能力和服務(wù)水平。各級公路縱坡長度限制（m）設(shè)計(jì)速度（km/h）1201008060403020縱坡坡度（%）3900100011001200

470080090010001100110012005

60070080090090011006

5006007007009007

5005007008

3003005009

20030010

200緩和坡段緩和坡段：在縱斷面設(shè)計(jì)中，當(dāng)縱坡的長度達(dá)到限制坡長時，按規(guī)定設(shè)置的較小縱坡路段。作用：恢復(fù)在較大縱坡上降低的速度；減少下坡制動次數(shù)，保證行車安全；確保道路通行質(zhì)量。除設(shè)計(jì)速度為40km/h以上時，理想的最大縱坡都未超過3%（P60）。根據(jù)實(shí)際觀測試驗(yàn)，《標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定緩和坡段的縱坡應(yīng)不大于3％，其長度應(yīng)不小于最小坡長。最小坡長限制最小坡長規(guī)定汽車以設(shè)計(jì)速度9~15s的行程為宜，在高速路上，9s可滿足行車及幾何線形布設(shè)的要求，在低速路上應(yīng)取大值。《標(biāo)準(zhǔn)》和《城規(guī)》規(guī)定了各級道路的最小坡長。設(shè)計(jì)速度（km/h）1201008060403020最小縱坡（m）一般值40035025020016013080最小值30025020015012010060設(shè)計(jì)速度（km/h）806050403020最小縱坡（m）2901701401108560城市道路最小坡長各級公路最小坡長三、最小縱坡、平均縱坡和合成坡度最小縱坡最小縱坡是為縱向排水的需要，對橫向排水不暢的路段所規(guī)定的縱坡最小值。在長路塹、低填方和其他橫向排水不暢的路段，為保證行車安全和排水要求，防止積水滲入路基而影響其穩(wěn)定性，應(yīng)設(shè)置不小于0.3%的縱坡（一般以不小于0.5%）。對干旱地區(qū)，以及橫向排水良好、不產(chǎn)生路面積水的路段，也可不受最小縱坡的限制。平均縱坡平均縱坡：一定長度路段兩端點(diǎn)的高差與該路段長度的比值。它是衡量縱斷面線形質(zhì)量的一個重要指標(biāo)?！稑?biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：二級、三級、四級公路越嶺路線連續(xù)上坡（或下坡）路段相對高差為200~500m時，平均縱坡不應(yīng)大于5.5%；越嶺路線相對高差大于500m時，平均縱坡不應(yīng)大于5%，且任意連續(xù)3km路段的平均縱坡不應(yīng)大于5.5%。合成縱坡合成縱坡：道路縱坡和橫坡的矢量和。計(jì)算公式：《規(guī)范》規(guī)定：在設(shè)有超高的平曲線上，超高與縱坡的合成坡度值不得超過表3-16的規(guī)定；在積雪或冰凍地區(qū)，合成坡度不應(yīng)大于8%。為了保證路面排水，各級公路的最小合成坡度不宜小于0.5%；當(dāng)合成坡度小于0.5%時，應(yīng)采用綜合排水措施，以保證路面排水暢通。公路等級高速公路一級公路二級公路三級公路四級公路設(shè)計(jì)速度（km/h）1201008010080608060403020合成坡度值（%）10.010.010.510.010.010.59.09.510.010.010.0公路最大合成坡度路線縱斷面示意圖第三節(jié)豎曲線豎曲線：在道路縱坡的變坡處設(shè)置的豎向曲線。豎曲線的作用：滿足行車平順、舒適及視距的需要。豎曲線的線形：圓曲線或拋物線。一、概述豎曲線的凹凸性：二、豎曲線要素的計(jì)算公式二次拋物線一般方程為：

豎曲線任一點(diǎn)P，其斜率為：則：（3-1）（3-2）（3-3）任一點(diǎn)的曲率半徑為：

（3-4）（3-5）將式（3-5）代入式（3-3），得：（3-6）豎曲線上任一點(diǎn)的豎距h：則豎曲線外距E：（3-7）（3-8）（3-9）三、豎曲線要素計(jì)算實(shí)例【例】某山嶺區(qū)二級公路，變坡點(diǎn)樁號為K3+030.00，高程為427.68m，i1=+5%，i2=-4%，豎曲線半徑R=2000m。試計(jì)算豎曲線諸要素以及樁號為K3+000.00和K3+100.00處的設(shè)計(jì)高程。

作業(yè)：P83第9題（凹曲線）四、豎曲線的最小半徑三個限制因素：緩和沖擊行駛時間視距離心力加速度（失重與超重）不至于過大滿足視覺平順的要求a限制在0.5～0.7m/s2取a=0.2781.汽車行駛的緩和沖擊在豎曲線上行駛的時間不宜小于3S2.行駛時間不過短3.滿足視距的要求凸形豎曲線半徑太小，阻擋駕駛員的視線。凹形豎曲線半徑太小，前燈照射距離近。表3-17、表3-18第四節(jié)爬坡車道爬坡車道：設(shè)置在陡坡路段上上坡方向右側(cè)供慢速車行駛的附加車道。目的：在某些情況下采用稍大的坡度而增設(shè)爬坡車道會產(chǎn)生既經(jīng)濟(jì)又安全的效果。一、設(shè)置爬坡車道的條件設(shè)置爬坡車道的條件:高速公路、一級公路及雙車道二級公路縱坡長度受限制的路段，應(yīng)對載重汽車上坡行駛速度的降低值和通行能力進(jìn)行驗(yàn)算，符合下列情況之一者，可在上坡方向車道右側(cè)設(shè)置爬坡車道：沿上坡方向載重汽車的行駛速度降低到表中的允許最低速度以下時。上坡路段的設(shè)計(jì)通行能力小于設(shè)計(jì)小時交通量時。經(jīng)設(shè)置爬坡車道與改善主線縱坡不設(shè)爬坡車道技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較論證，設(shè)置爬坡車道的效益費(fèi)用比、行車安全性較優(yōu)時。設(shè)計(jì)速度（km/h）120100806040容許最低速度（km/h）60.055.050.040.010.0上坡方向最低容許速度二、爬坡車道的設(shè)計(jì)

1.橫斷面組成爬坡車道橫斷面組成高速公路的爬坡車道可占用原有硬路肩寬度，爬坡車道外側(cè)可只設(shè)置土路肩。高速公路爬坡車道平面布置圖一級、二級公路的爬坡車道緊靠行車道外側(cè)設(shè)置，原硬路肩部分移至爬坡車道外側(cè)，供混合車輛行駛。一級公路爬坡車道平面布置圖2.橫坡度3.平面布置與長度爬坡車道的總長度由分流漸變段長度、爬坡車道長度和合流漸變段長度組成。上升至最低容許速度降低至最低容許速度陡坡路段附加長度爬坡車道平面布置示意圖

第五節(jié)避險(xiǎn)車道

一、避險(xiǎn)車道