道路勘测设计--道路平面设计ppt课件.pptx 127页

路线平面设计：在路线平面图上研究道路的基本走向及线形的过程。路线纵断面设计：在路线纵断面图上研究道路纵坡及坡长的过程。路线横断面设计：在路线横断面图上研究路基断面形状的过程。路线设计：指确定路线空间位置和各部分几何尺寸的工作。 二、平面线形设计的基本要求行驶中汽车的轨迹的几何特征：（1）轨迹连续。这个轨迹是连续的和圆滑的，即在任何一点上下出现错头和破折；（一）汽车行驶轨迹 （2）曲率连续。其曲率是连续的，即轨迹上任一点不出现两个曲率的值。 （3）曲率变化连续。其曲率的变化率是连续的，即轨迹上任一点不出现两个曲率变化率的值。 （二）平面线形要素行驶中汽车的导向轮与车身纵轴之间的关系：1．角度为零：2．角度为常数：3．角度为变数：汽车行驶轨迹线曲率为0——直线曲率为常数——圆曲线曲率为变数——缓和曲线现代道路平面线形正是由上述三种基本线形构成的，称为平面线形三要素。 第二节直线一、直线的特点1、直线距离短，直捷，通视条件好。2、汽车在直线上行驶受力简单，方向明确，驾驶操作简易。3、便于测设。4、直线线形大多难于与地形相协调，若长度运用不当，不仅破坏了线形的连续性，也不便达到线形设计自身的协调。5、过长的直线易使驾驶员感到单调、疲倦，难以目测车间距离。 二、直线标准1.最大直线长度问题：《标准》规定：直线的最大与最小长度应有所限制。一条公路的直线与曲线的长度设计应合理。德国规定直线的最大长度（以米计）为20V（计算行车速度，km/h）（适于高速公路V≥100km/h）。前苏联为8km；美国为180s行程长度Vt/3.6；中国为≯20V。公路线形首先考虑的不是在平面线形上尽量多采用直线，或者是必须由连续的曲线所构成，而是必须采用与自然地形相协调的线形。合理利用地形和避免采用长直线。 （1）．同向曲线间的直线最小长度同向曲线——转向相同的相邻两曲线以一定长度直线连接的线形。断背曲线——两同向曲线间夹有短直线段的线形。（应避免，司机易产生错觉。）《规范》：同向曲线间的最短直线长度以不小于设计速度的6倍为宜（L≮6V）。2、直线的最小长度L≮6V （2）．反向曲线间的直线最小长度反向曲线——转向相反的相邻两曲线以一定长度直线连接的线形。《规范》规定：反向曲线间最小直线长度（以m计）以不小于设计速度（以km／h计）的2倍为宜（L≮2V）。L≮2V 三、直线的运用1.宜采用直线线形的路段：（1）不受地形、地物限制的平坦地区或山间的开阔谷地；（2）市镇及其近郊，或规划方正的农耕区等以直线条为主的地区；（3）长的桥梁、隧道等构造物路段；（4）路线交叉点及其前后；（5）双车道公路提供超车的路段。 （1）在直线上纵坡不宜过大，因长直线再加下陡坡更易导致高速度。（2）长直线与大半径凹竖曲线组合为宜，这样可以使生硬呆板的直线得到一些缓和。2.当采用长的直线线形时，应注意的问题： 2.当采用长的直线线形时，应注意的问题：（3）道路两侧过于空旷时，宜采取植不同树种或设置一定建筑物、雕塑、广告牌等措施，以改善单调的景观。（4）长直线或长下坡的尽头不得设置小半径平曲线，除曲线半径、超高、视距等必须符合规定外，还必须采取设置标志、增加路面抗滑能力等安全措施。（1）在直线上纵坡不宜过大，因长直线再加下陡坡更易导致高速度。（2）长直线与大半径凹竖曲线组合为宜，这样可以使生硬呆板的直线得到一些缓和。 一、圆曲线各级公路和城市道路不论转角大小均应设置平曲线，而圆曲线是平曲线中的主要组成部分。路线平面线形中常用的单曲线、复曲线、双交点或多交点曲线、虚交点曲线、回头曲线等中一般均包含了圆曲线。圆曲线具有易与地形相适应、可循性好、线形美观、易于测设等优点，使用十分普遍。第三节圆曲线 1、圆曲线几何元素为： 计算基点为交点里程桩号，记为JD，ZY=JD-TYZ=ZY+LQZ=ZY+L/2JD=QZ+J/2曲线主点里程桩号计算： 2、圆曲线的线形特征：1、曲线上任意一点的曲率半径R为常数，测设比缓和曲线简便；2、圆曲线上的每一点都在不断的改变方向，因而汽车在圆曲线上的行驶都要受到离心力，当速度一定时，其离心力为一常数，同时汽车在平面曲线上行驶时要多占用路面宽度；3、视觉条件差，当汽车在弯道内侧行驶时，视线内侧多障碍物的影响，易发生交通事故；4、较大半径的长圆曲线具有线形美观，顺适、行车舒适等特点。 *二、汽车行驶的横向稳定性汽车在平曲线上行驶时会产生离心力，其作用点在汽车的重心，方向水平背离圆心。受力分析：横向力X——失稳竖向力Y——稳定1．汽车在平曲线上行驶时力的平衡离心力XY 将离心力F与汽车重力G分解为平行于路面的横向力X和垂直于路面的竖向力Y，XY 由于路面横向倾角α一般很小，则sinα≈tgα=ih，cosα≈1，其中ih称为横向超高坡度，将离心力F与汽车重力G分解为平行于路面的横向力X和垂直于路面的竖向力Y，采用横向力系数来衡量稳定性程度，其意义为单位车重的横向力，即 μ——横向力系数，横向力与垂向力之比。V——设计车速（km/h）R——圆曲线半径（m）ih——超高值或路拱横坡（%）内侧取“—”，外侧取“+”μ与V成正比，与R成反比，汽车在内侧行驶比外侧有利。 横向倾覆：汽车在平曲线上行驶时，由于横向力的作用，使汽车绕外侧车轮触地点产生向外横向倾覆。汽车内侧车轮支反力N1为0。倾覆力矩等于或大于稳定力矩。2.横向倾覆条件分析 倾覆力矩：Xhg横向倾覆平衡条件分析：稳定力矩： 倾覆力矩：Xhg横向倾覆平衡条件分析：稳定力矩：稳定、平衡条件：汽车在平曲线上行驶时，不产生横向倾覆的最小平曲线半径Rmin或最大允许行车速度V： 3.横向滑移条件分析横向滑移：汽车在平曲线上行驶时，因横向力的存在，可能使汽车沿横向力的方向产生横向滑移。横向力大于轮胎和路面之间的横向附着力。极限平衡条件：横向滑移稳定条件：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Rmin或最大允许行车速度V： 4．横向稳定性的保证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μ值的大小。现代汽车在设计制造时重心较低，一般b≈2hg，而h<0.5,即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。在道路设计中只要保证不产生横向滑移现象发生，即可保证横向稳定性。保证横向稳定性的条件： 三、圆曲线半径由可知R和μ有密切关系，所以合理取用μ是关键；由，汽车就愈稳定；但有时因为地形，地物等因素的限制，R不能取很大，往往会采用小半径的圆曲线，但如选的太小，就会使汽车行驶不稳定，甚至翻车，所以在确定R时必须得考虑行车安全、迅速、舒适、经济、兼顾美观，来求出合理的最小半径，以保重满足行车基本要求。 XY（一）计算公式与因素根据汽车行驶在曲线上力的平衡式计算曲线半径：三、圆曲线半径 （一）计算公式与因素根据汽车行驶在曲线上力的平衡式计算曲线半径：式中：V——计算行车速度，（km/h）；μ——横向力系数；ih——超高横坡度；ig——路面横坡度。当设超高时：不设超高时： （1）危及行车安全汽车能在弯道上行驶的基本前提是轮胎不在路面上滑移，这就要求横向力系数μ低于轮胎与路面之间所能提供的横向摩阻系数φ:μ≤φφ与车速、路面种类及状态、轮胎状态等有关，一般在干燥路面上约为0.4～0.8，在潮湿的黑色路面上汽车高速行驶时，降低到0.25～0.40。路面结冰和积雪时，降到0.2以下，在光滑的冰面上可降到0.06（不加防滑链）。1．横向力系数μ对行车的影响及其值的确定： （2）增加驾驶操纵的困难弯道上行驶的汽车，在横向力作用下，弹性的轮胎会产生横向变形，使轮胎的中间平面与轮迹前进方向形成一个横向偏移角。 （3）增加燃料消耗和轮胎磨损μ使车辆的燃油消耗和轮胎磨损增加。横向力系数μ燃料消耗（%）轮胎磨损（%）01001000.051051600.101102200.151153000.20120390 （4）行旅不舒适μ值的增大，乘车舒适感恶化。当μ〈0.10时，不感到有曲线存在，很平稳；当μ=0.15时，稍感到有曲线存在，尚平稳；当μ=0.20时，己感到有曲线存在，稍感不稳定；当μ=O.35时，感到有曲线存在，不稳定；当μ=0.40时，非常不稳定，有倾车的危险感。μ的舒适界限，由0.11到0.16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。 《标准》规定：高速公路、一级公路的超高横坡度不应大于10%，其它各级公路不应大于8%。在积雪冰冻地区，最大超高横坡度不宜大于6%。2．关于最大超高icmax： ih《标准》中规定的最小平曲线半径是汽车在曲线部分能安全而又顺适的行驶的条件而确定的。最小平曲线半径的实质是汽车行驶在公路曲线部分时，所产生的离心力等横向力不超过轮胎与路面的摩阻力所允许的界限，并使乘车人感觉良好的曲线半径值。（二）最小半径的计算（圆曲线标准） 1．极限最小半径由可知μ和ic都取最大时R取Rmin，此时设最大超高；ih——超高横坡度μ——横向力系数例：求一级公路，设计车速100km/h的Rjmin，ic取10%解为了设计和施工方便，《标准》取400m，我国各级公路的圆曲线半径见表 是各级公路按设计速度行驶的车辆能保证安全行车的最小允许半径。1．极限最小半径 在一般的道路设计时，各级公路一般最小半径的数值为了满足公路提高一级后的极限最小半径打下基础，一般应尽量大于或接近Rymin只有当地形影响较大或特殊困难时，才可采用Rjmin确定过程：冰滑情况亦能保证安全行驶 圆曲线半径大于一定数值时，可以不设置超高，而允许设置等于直线路段路拱的反超高。从行驶的舒适性考虑，必须把横向力系数控制到最小值。虑圆曲线半径较大时，离心力的影响较小，汽车即使在双向路拱外侧行驶，路面摩阻力可以保证汽车有足够的稳定性、安全、经济、舒适行驶所需的最小半径（无需超高）；3．不设超高的最小半径 确定：μ=0.035；ig=-0.015例：某一级公路（v=100km/h），求Rbmin取4000m 4.最小半径指标的应用（1）公路线形设计时应根据沿线地形等情况，尽量选用较大径。在不得已情况下方可使用极限最小半径；（2）当地形条件许可时，应尽量采用大于一般最小半径的值；（3）一般情况下宜采用极限最小半径的4倍～8倍或超高为2％～4％的圆曲线半径；有条件时，最好采用不设超高的最小半径。 4.最小半径指标的应用（4）选用曲线半径时，应注意前后线形的协调，不应突然采用小半径曲线；（5）长直线或线形较好路段，不能采用极限最小半径。（6）从地形条件好的区段进入地形条件较差区段时，线形技术指标应逐渐过渡，防止突变。（7）应同纵面相结合，避免小半径曲线与陡坡重叠；（8）每个弯道半径确定，应综合考虑地形、地物，用E、T、L等反算求得；（9）对小转角弯道采用曲线长度控制反算半径；（10）同向曲线间避免“断背曲线”，在设计时对于断背曲线可采取重新设计加大直线长度，或将两曲线合并为单圆曲线，或消除直线构成复曲线。 （三）圆曲线最大半径选用圆曲线半径时，在与地形等条件相适应的前提下应尽量采用大半径。但半径大到一定程度时，其几何性质和行车条件与直线无太大区别，容易给驾驶人员造成判断上的错误反而带来不良后果，同时也无谓增加计算和测量上的麻烦。《规范》规定圆曲线的最大半在不宜超过10000m。 （四）圆曲线的最小长度1、限制理由：①从司机操纵和行车舒适考虑曲线过短，转的太急，离心力速度变化率过大，乘客受到冲击，感到不适；过短的平曲线，使汽车在曲线上行驶时间短，汽车进入曲线，司机刚打方向盘，又要立即打回，操纵频繁，极为不便；2、圆曲线最小长度要求：汽车在公路的任何线形是行驶的时间均不宜短于3s，以使驾驶操作不显的过分紧张。(1)平曲线一般最小长度为9s行程；(2)平曲线极限最小长度为6s行程（地形受限或特殊困难时）。（3）在平曲线设计时，圆曲线极限最小长度为3s行程。 一、缓和曲线的作用与性质缓和曲线——指直线和圆曲线间或半径相差较大的两转向相同的圆曲线间插入符合汽车行驶轨迹，曲率渐变的曲线《标准》规定，除四级路可不设缓和曲线外，其余各级路都应设缓和曲线。（一）缓和曲线的作用1．曲率连续变化，便于车辆行驶2．离心加速度逐渐变化，旅客感觉舒适3．超高横坡度逐渐变化，行车更加平稳4．与圆曲线配合得当，增加线形美观第四节缓和曲线 φ假定;由直线到圆曲线曲率半径r均匀变化；汽车等速v行驶；司机匀速转动方向盘。当方向盘转动角度为时，前轮相应转动角度为，它们之间的关系为：=k；（二）缓和曲线的性质其中，是在t时间后方向盘转动的角度，=t；汽车前轮的转向角为=kωt(rad)轨迹曲率半径： 设汽车前后轮轴距为d，前轮转动后，汽车的行驶轨迹曲线半径为汽车以v（m／s）等速行驶，经时间t以后，其行驶距离（弧长）为l：l=vt(m)汽车匀速从直线进入圆曲线（或相反）其行驶轨迹的弧长与曲线的曲率半径之乘积为一常数，这一性质与数学上的回旋线正好相符。 二、回旋线作为缓和曲线（一）回旋线的数学表达式数学定义：亦叫做欧拉曲线，即曲率随着曲线长度成正比增大的曲线，即：又l·r为二次量钢，令C=A2，则A的单位是m，则回旋线的基本公式可写为：rl=A2(rl=C)——极坐标方程式式中：r——回旋线上某点的曲率半径（m）；——回旋线上某点到原点的曲线长（m）；A——回旋线的参数。A表征回旋线曲率变化的缓急程度。 回旋线是公路路线设计中最常用的一种缓和曲线。我国《标准》规定缓和曲线采用回旋线。即为缓和曲线的基本方程，与汽车行驶的理论轨迹方程一致，所以世界各国公路设计大多以回旋线作为缓和曲线，A即为回旋线参数，表示回旋线曲率的缓急程度。例：某平曲线中的圆曲线半径R＝300m，缓和曲线长lh＝50m，试计算缓和曲线上距其起点10m、20m、30m处的曲率半径？ 1.回旋线的参数值A的确定：回旋线的应用范围：ORlhYX缓和曲线起点：回旋线的起点，l=0，r=∞；缓和曲线终点：回旋线某一点，l＝lh，r＝R。则Rlh=A2，即回旋线的参数值为： 直线直线圆曲线缓和曲线缓和曲线1.回旋线的参数值A的确定：回旋线的应用范围：缓和曲线起点：回旋线的起点，l=0，r=∞；缓和曲线终点：回旋线某一点，l＝lh，r＝R。则Rlh=A2，即回旋线的参数值为：缓和曲线的曲率变化： 回旋线起点切线o由微分方程推导回旋线的直角坐标方程：以rl=A2代入得：回旋线微分方程为：dl=r·ddx=dl·cosdy=dl·sin或l·dl=A2·dβ2.回旋线的数学表达式： 当l=0时，=0。对l·dl=A2·d积分得：式中：——回旋线上任一点的半径方向与Y轴的夹角。对回旋线微分方程组中的dx、dy积分时，可把cos、sin用泰勒级数展开，然后用代入β表达式，再进行积分。 dx，dy的展开： 对dx、dy分别进行积分： 在回旋线终点处，l=lh，r=R，A2=Rlh回旋线终点坐标计算公式：回旋线终点的半径方向与Y轴夹角β0计算公式： 1.各要素的计算公式基本公式：r·l=A2，（二）回旋线的几何要素任意点P处的曲率半径：P点的回旋线长度：P点的半径方向与Y轴的夹角 p=y+rcosβ-rP点曲率圆圆心M点的坐标：xm=x–rsinβym=r+pP点的弦长：P点曲率圆的内移值：P点弦偏角：pr(1-cosβ) 道路平面线形三要素的基本组成是：直线-回旋线-圆曲线-回旋线-直线。(1)几何元素的计算公式：2．有缓和曲线的道路平曲线几何元素：回旋线终点处内移值：回旋线终点处曲率圆圆心x坐标：回旋线终点处半径方向与Y轴的夹角： (1)几何元素的计算公式：切线长：曲线长：外距：校正值：Jh=2Th-Lh (2)主点里程桩号计算方法：以交点里程桩号为起算点：ZH=JD–ThHY=ZH+lhQZ=ZH+Lh/2YH=HZ–lhHZ=ZH+Lh ①用切线支距法敷设回旋线公式：l——回旋线上任意点m至缓和曲线终点的弧长（m）。（3）切线支距法敷设曲线计算方法： 00②切线支距法敷设带有回旋线的圆曲线公式：x=q+Rsinm(m)y=p+R(1-cosm)(m)式中：lm——圆曲线上任意点m至缓和曲线终点的弧长（m）；αm——lm所对应的圆心角（rad）。 （三）回旋线的相似性回旋线的曲率是连续变化的，而且其曲率的变化与曲线长度的变化呈线性关系。可以认为回旋线的形状只有一种，只需改变参数A就能得到不同大小的回旋曲线。A相当于回旋线的放大系数，回旋线的这种相似性对于简化其几何要素的计算和编制曲线表很有用处。 四、缓和曲线的长度及参数（一）缓和曲线的最小长度:1．旅客感觉舒适:汽车行驶在缓和曲线上，其离心加速度将随着缓和曲线曲率的变化而变化，若变化过快，将会使旅客有不舒适的感觉。离心加速度的变化率as：在等速行驶的情况下： 满足乘车舒适感的缓和曲线最小长度：我国公路计算规范一般建议as≤0.6 2．超高渐变率适中由于缓和曲线上设有超高缓和段，如果缓和段太短，则会因路面急剧地由双坡变为单坡而形成一种扭曲的面，对行车和路容均不利。《规范》规定了适中的超高渐变率，由此可导出计算缓和段最小长度的公式：式中：B——旋转轴至行车道（设路缘带时为路缘带）外侧边缘的宽度；Δi——超高坡度与路拱坡度代数差（%）；p——超高渐变率，即旋转轴线与行车道外侧边缘线之间的相对坡度。 3．行驶时间不过短缓和曲线不管其参数如何，都不可使车辆在缓和曲线上的行驶时间过短而使司机驾驶操纵过于匆忙。一般认为汽车在缓和曲线上的行驶时间至少应有3s《标准》按行驶时间不小于3s的要求制定了各级公路缓和曲线最小长度。《城规》制定了城市道路的最小缓和曲线长度，如表3-7。 （二）回旋曲线参数的确定在一般情况下，特别是当圆曲线半径较大时，车速较高时，应该使用更长的缓和曲线。回旋线参数表达式：A2=R·lh从视觉条件要求确定A：考察司机的视觉，当回旋曲线很短，其回旋线切线角（或称缓和曲线角）β在3°左右时，曲线极不明显，在视觉上容易被忽略。回旋线过长β大于29°时，圆曲线与回旋线不能很好协调。适宜的缓和曲线角是β=3°～29°。 由β0=3°～29°推导出合适的A值：将β0=3°和β0=29°分别代入上式，则A的取值范围为： 回旋线参数A的确定：经验证明，当R在100m左右时，通常取A＝R；如果R小于100m，则选择A≥R。在圆曲线半径较大时，R≥3000m，A≈R/3。R﹥﹥3000m，A