三 路线纵断面设计与放样.ppt
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1、学习情境三 路线纵断面设计与放样,任务1:纵断面设计指标资料准备 任务2:纵坡的设计 任务3:竖曲线的设计与计算 任务4:道路逐桩设计标高的计算和测量 任务5:平纵组合设计的优劣判断,任务1:纵断面设计指标资料准备,第一节 概 述 定义:沿着道路中线竖向剖面的展开图即为路线纵断面。 纵断面设计:在路线纵断面图上研究路线线位高度及坡度变化情况的过程。 任务:研究纵断面线形的几何构成及其大小与长度。 依据:汽车的动力特性、道路等级、当地的自然地理条件以及工程经济性等。,地面线:它是根据中线上各桩点的高程而点绘的一条不规则的折线; 设计线:路线上各点路基设计高程的连续。,路线纵断面图构成:,地面线:
2、它是根据中线上各桩点的高程而点绘的一条不规则的折线; 设计线:路线上各点路基设计高程的连续。,路线纵断面图构成:,地面高程:中线上地面点高程。 设计高程:一般公路,路基未设加宽超高前的路肩边缘的高程。 设分隔带公路,一般为分隔带外边缘。 路基高度:横断面上设计高程与地面高程之高差。 路堤:设计高程大于地面高程。 路堑:设计高程小于地面高程。 纵断面设计内容:坡度及坡长 竖曲线,任务2:纵坡的设计,一、纵坡设计的一般要求 1纵坡设计必须满足标准的各项规定。 2为保证车辆能以一定速度安全顺适地行驶,纵坡应具有一定的平顺性,起伏不宜过大和过于频繁。 尽量避免采用极限纵坡值。 合理安排缓和坡段,不宜连
3、续采用极限长度的陡坡夹最短长度的缓坡。 连续上坡或下坡路段,应避免设置反坡段。 越岭线垭口附近的纵坡应尽量缓一些。 3纵坡设计应对沿线地面、地下管线、地质、水文、气候和排水等综合考虑,视具体情况加以处理,以保证道路的稳定与通畅,4一般情况下山岭重丘区纵坡设计应考虑填挖平衡,尽量使挖方运作就近路段填方,以减少借方和废方,降低造价和节省用地。即纵向填挖平衡设计。,5平原微丘区地下水埋深较浅,或池塘、湖泊分布较广,纵坡除应满足最小纵坡要求外,还应满足最小填土高度要求,保证路基稳定。即包线设计。 6对连接段纵坡,如大、中桥引道及隧道两端接线等,纵坡应和缓、避免产生突变。交叉处前后的纵坡应平缓一些, 7
4、在实地调查基础上,充分考虑通道、农田水利等方面的要求。,二、最大纵坡,最大纵坡:是指在纵坡设计时各级道路允许使用的最大坡度值。 影响因素: 汽车的动力特性:汽车在规定速度下的爬坡能力。 道路等级:等级高,行驶速度大,要求坡度阻力尽量小。 自然条件:海拔高程、气候(积雪寒冷等)。 纵坡度大小的优劣: 坡度大:行车困难:上坡速度低,下坡较危险。 山区公路可缩短里程,降低造价。,1. 设计速度为120kmh、l00kmh、80kmh的高速公路受地形条件或其他特殊情况限制时,经技术经济论证,最大纵坡值可增加1。 2. 公路改建中,设计速度为40kmh、30kmh、20kmh的利用原有公路的路段,经技术
5、经济论证,最大纵坡值可增加1。,各级公路最大纵坡的规定(表4-3),3 4 5 6 7 8 9,1高原为什么纵坡要折减? 在高海拔地区,困空气密度下降而使汽车发动机的功率、汽车的驱动力以及空气阻力降低,导致汽车的爬坡能力下降。另外,汽车水箱中的水易于沸腾而破坏冷却系统。 2规范规定:位于海拔3000m以上的高原地区,各级公路的最大纵坡值应按表4-5的规定予以折减。折减后若小于4%,则仍采用4%。,三、高原纵坡折减,四、理想的最大纵坡和不限长度的最大纵坡,1. 理想的最大纵坡i1:是指设计车型即载重车在油门全开的情况下,持续以V1等速行驶所能克服的坡度。V1取值,对低速路为设计速度,高速路为上述
6、载重车的最高速度。,i1=D1-f 容许速度V2:不同等级的道路容许速度应不同,其值一般应不小于设计速度的1/22/3(高速路取低限,低速路取高限)。 i2=D2-f,最小纵坡:各级公路在特殊情况下容许使用的最小坡度值。 最小纵坡值:0.3%,一般情况下0.5%为宜。 适用条件:横向排水不畅路段:长路堑、桥梁、隧道、设超高的平曲线、路肩设截水墙等。 当必须设计平坡(0%)或小于0.3%的纵坡时,边沟应作纵向排水设计。 在弯道超高横坡渐变段上,为使行车道外侧边缘不出现反坡,设计最小纵坡不宜小于超高允许渐变率。 干旱少雨地区最小纵坡可不受上述限制。,五、最小纵坡,内容:最小坡长限制:任何路段 最大
7、坡长:陡坡路段 1最短坡长限制 标准规定,各级公路最短坡长不应小于2.5Vm。 城市道路最小坡长按表4.2.4选用。,六、坡长限制,标准规定各级公路最大坡长限制。,2最大坡长限制,城市道路最大坡长按表4.2.5选用。,2最大坡长限制,七、缓和坡段,标准规定,连续上坡(或下坡)时,应在不大于表3.0.17-2所规定的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,其长度应符合纵坡长度的规定。 缓和坡段:纵坡值:不应大于3% 长 度:不小于最小坡长要求 线 形:宜采用直线。在地形困难路段可采用曲线; 注:曲线半径较小时,缓和坡段长度应增加。 回头曲线段可以作为缓和坡段。,八、平均纵坡,平均纵
8、坡是指一定长度的路段纵向所克服的高差H与路线长度L之比(连续升坡或降坡路段)。,标准规定:越岭路线连续上坡(或下坡)路段,相对高差为200500m时,平均纵坡不应大于5.5;相对高差大于500m时,平均纵坡不应大于5。 任意连续3km路段平均纵坡不应大于5.5。 城市道路的平均纵坡按上述规定减少1.0%。对于海拔3000m以上的高原地区,平均纵坡应较规定值减少0.5%1.0%。,1.定义:合成坡度是指由路线纵坡与弯道超高横坡或路拱横坡组合而成的坡度,其方向即流水线方向。 合成坡度的计算公式为:,九、合成坡度,式中:I合成坡度(%); ih超高横坡度或路拱横坡度(%); iz路线设计纵坡坡度(%
9、)。,2.最大允许合成坡度值:,(1)最大允许合成坡度值:,2合成坡度指标,(2)最小合成坡度: 最小合成坡度不宜小于0.5%。 当合成坡度小于0.5时,应采取综合排水措施,以保证路面排水畅通。,当陡坡与小半径平曲线重合时,在条件许可的情况下,以采用较小的合成坡度为宜。 特别是下述情况,其合成坡度必须小于8%。 在冬季路面有积雪结冰的地区; 自然横坡较陡峻的傍山路段; 非汽车交通比率高的路段。 例如:某二级公路,有一平曲线半径为250m,超高横坡为8%,该路段纵坡度为4.8%,则合成坡度为,3. 合成坡度指标的控制作用 : 控制陡坡与急弯的重合; 平坡与设超高平曲线的配合问题。,任务3:竖曲线
10、的设计与计算,1定义: 纵断面上两个坡段的转折处,为了便于行车用一段曲线来缓和,称为竖曲线。,变坡点:相邻两条坡度线的交点。 变坡角:相邻两条坡度线的坡角差,通常用坡度值之差代替,用表示,即 =2-1tg2- tg1=i2-i1,凹型竖曲线 0,凸型竖曲线 0,2竖曲线的作用:,(1)其缓冲作用:以平缓曲线取代折线可消除汽车在变坡点的突变。 (2)保证公路纵向的行车视距: 凸形:纵坡变化大时,盲区较大。 凹形:下穿式立体交叉的下线。 3. 竖曲线的线形 规范规定采用二次抛物线作为竖曲线的线形。 抛物线的纵轴保持直立,且与两相邻纵坡线相切。,一、竖曲线要素的计算公式,1竖曲线的基本方程式:设变坡
11、点相邻两纵坡坡度分别为i1和i2。抛物线竖曲线有两种可能的形式: (1)包含抛物线底(顶)部; (2)不含抛物线底(顶)部。,式中:R抛物线顶点处的曲率半径,一、竖曲线要素的计算公式,1竖曲线的基本方程式:设变坡点相邻两纵坡坡度分别为i1和i2。抛物线竖曲线有两种可能的形式: (1)包含抛物线底(顶)部; (2)不含抛物线底(顶)部。,式中:k抛物线顶点处的曲率半径 ; i1竖曲线顶(底)点处切线的坡度。,对竖曲线上任一点P,其切线的斜率(纵坡)为,当x=0时,ip=i1; 当x=L时,,竖曲线半径R系指竖曲线顶(底)部的曲率半径。 若竖曲线包含抛物线顶点,则 R=k。 若竖曲线不包含抛物线顶
12、点,则竖曲线半径指竖曲线的顶(凸竖曲线)或底(凹竖曲线)部的曲率半径。可按下面的方法计算:,抛物线顶点曲率半径:,抛物线上任一点的曲率半径为r,,抛物线上任一点的曲率半径 r = k(1+i2)3/2 竖曲线底部的切线坡度i1较小,故i12可略去不计 ,则竖曲线底部的曲率半径R为: R = r k,二次抛物线竖曲线基本方程式(通式)为,2竖曲线诸要素计算公式,(1)竖曲线长度L或竖曲线半径R: L = xA - xB,(2)竖曲线切线长T: 因为T = T1 = T2,则,(3)竖曲线外距E:,(4)竖曲线上任一点竖距h:,下半支曲线在竖曲线终点的切线上的竖距h为:,(3)竖曲线上任一点竖距h
13、:,下半支曲线在竖曲线终点的切线上的竖距h为:,为简单起见,将两式合并写成下式,,式中:x竖曲线上任意点与竖曲线始点或终点的水平距离, y竖曲线上任意点到切线的纵距,即竖曲线上任意点与坡线的高差。,竖曲线外距E:,上半支曲线x = T1时:,故 T1 = T2 = T,由于外距是边坡点处的竖距,则E1 = E2 = E,,下半支曲线x = T2时:,(一)竖曲线设计限制因素 1缓和冲击 汽车在竖曲线上行驶时其离心加速度为:,二、竖曲线的最小半径,根据试验,认为离心加速度应限制在0.50.7m/s2比较合适。我国标准规定的竖曲线最小半径值,相当于a=0.278 m/s2。,2时间行程不过短 最短
14、应满足3s行程。,3满足视距的要求: 凸形竖曲线:坡顶视线受阻 凹形竖曲线:下穿立交 4. 凸形竖曲线主要控制因素:行车视距。 凹形竖曲线的主要控制因素:缓和冲击力。,(一)竖曲线设计限制因素 1缓和冲击 汽车在竖曲线上行驶时其离心加速度为:,二、竖曲线的最小半径,根据试验,认为离心加速度应限制在0.50.7m/s2比较合适。我国标准规定的竖曲线最小半径值,相当于a=0.278 m/s2。,2时间行程不过短 最短应满足3s行程。,3满足视距的要求: 凸形竖曲线:坡顶视线受阻 凹形竖曲线:下穿立交 4. 凸形竖曲线主要控制因素:行车视距。 凹形竖曲线的主要控制因素:缓和冲击力。,(二)凸形竖曲线
15、最小半径和最小长度,凸形竖曲线最小长度应以满足视距要求为主。 按竖曲线长度L和停车视距ST的关系分为两种情况。 1当LST时:,视距长度:,令,最小半径:,2当LST:,凸形竖曲线最小半径和最小长度 :,竖曲线最小长度相当于各级道路计算行车速度的3秒行程 。,设置凹竖曲线的主要目的是缓和行车时的离心力,确定凹竖曲线半径时,应以离心加速度为控制指标 。,(三)凹形竖曲线最小半径和最小长度,凹形竖曲线的最小半径、长度,除满足缓和离心力要求外,还应考虑两种视距的要求:一是保证夜间行车安全,前灯照明应有足够的距离;二是保证跨线桥下行车有足够的视距。 标准规定竖曲线的最小长度应满足3s行程要求 。,(三
16、)凹形竖曲线最小半径和最小长度,凹形竖曲线最小长度相当于各级道路计算行车速度的3秒行程 。,任务4:道路逐桩设计标高的计算和测量,变坡点桩号BPD 变坡点设计高程H 竖曲线半径R,1纵断面设计成果:,H,R,一、逐桩设计高程计算,2竖曲线要素的计算公式: 变坡角= i2- i1 曲线长:L=R 切线长:T=L/2= R/2 外 距:,竖曲线起点桩号: QD=BPD - T 竖曲线终点桩号: ZD=BPD + T,一、逐桩设计高程计算,纵 距:,HT,HS,y,Hn BPDn,BPDn-1 Hn-1,in,in-1,in+1,Lcz1,Lcz-BPDn-1,3. 逐桩设计高程计算,切线高程:,直
17、坡段上,y=0。 x竖曲线上任一点离开起(终)点距离;,其中: y竖曲线上任一点竖距;,设计高程: HS = HT y (凸竖曲线取“-”,凹竖曲线取“+”),3. 逐桩设计高程计算,切线高程:,以变坡点为分界计算: 上半支曲线 x = Lcz - QD 下半支曲线 x = ZD - Lcz 以竖曲线终点为分界计算: 全部曲线 x = Lcz - QD,例4-3:某山岭区二级公路,变坡点桩号为k5+030.00,高程H1=427.68m,i1=+5%,i2=-4%,竖曲线半径R=2000m。 试计算竖曲线诸要素以及桩号为k5+000.00和k5+100.00处的设计高程。,解:1计算竖曲线要素
18、 =i2- i1= - 0.04-0.05= - 0.090,为凸形。 曲线长 L = R=20000.09=180m,切线长,外 距,竖曲线起点QD(K5+030.00)- 90 = K4+940.00 竖曲线终点ZD(K5+030.00)+ 90 = K5+120.00,2计算设计高程,K5+000.00:位于上半支 横距x1= Lcz QD = 5000.00 4940.0060m 竖距,切线高程 HT = H1 + i1( Lcz - BPD) = 427.68 + 0.05(5000.00 - 5030.00) = 426.18m 设计高程 HS = HT - y1 = 426.18
19、 - 0.90=425.18m (凸竖曲线应减去改正值),K5+100.00:位于下半支,按竖曲线起点分界计算: 横距x2= Lcz QD = 5100.00 4940.00160m 竖距,切线高程 HT = H1 + i1( Lcz - BPD) = 427.68 + 0.05(5100.00 - 5030.00) = 431.18m 设计高程 HS = HT y2 = 431.18 6.40 = 424.78m,K5+100.00:位于下半支,按终点分界计算: 横距x2= ZD Lcz = 5120.00 5100.00 20m 竖距,切线高程 HT = H1 + i2( Lcz - BP
20、D) = 427.68 - 0.04(5100.00 - 5030.00) = 424.88m 设计高程 HS = HT y2 = 424.88 0.10 = 424.78m,道路线形设计是从道路选线、定线开始,最终以平、纵、横面所组成的立体线形反映于驾驶员的视觉上。平、纵线形组合是指在满足汽车运动学和力学要求前提下,研究如何满足视觉和心理方面的连续、舒适,与周围环境相协调的要求,并有良好的排水条件。尽管平,纵线形设计均按前述标准进行设计的,但若平、纵线组合不好,不仅有碍于其优点的发挥,而且会加剧两方面存在的缺点,造成行车上的危险,也就不可能获得最优的立体线形、平纵线形的合理组合。,任务5:平
21、纵组合设计的优劣判断,任务5:平纵组合设计的优劣判断,1视觉分析的意义 视觉分析:从视觉心理出发,对道路的空间线形及其与周围自然景观和沿线建筑的协调等进行研究分析,以保持视觉的连续性,使行车具有足够的舒适感和安全感的综合设计称为视觉分析。,一、视觉分析,2视觉与车速的动态规律,(1)驾驶员的注意力集中和心理紧张的程度随着车速的增加而增加。 (2)驾驶员的注意力集中点随着车速增加而向远方移动。当车速增加97kmh时,他的注意力集中点在前方600m以外的某一点。 (3)当车速超过97kmh时,对前景细节的视觉开始模糊起来。 (4)驾驶者的周界感随车速的增加而减少。当车速达到72km/h时,驾驶者可
22、以看到公路两侧视角3040的范围,而当车速增加到97km/h时,视角减至20以下。当车速再增加,驾驶者的注意力随之引向景象中心而置两侧于不顾。,所谓线形状况是指道路平面和纵面线形所组成的立体形状,汽车快速行驶中给驾驶员提供的连续不断的视觉印象。该视觉印象的优劣,除依靠设计者对三维空间的想象判断之外,比较好的方法是利用视觉印象随时间变化的道路透视图来评价。 视觉评价方法:利用视觉印象随时间变化的道路透视图 道路透视图:是按照汽车在道路上的行驶位置,根据线形的几何状况确定的视轴方向以及由车速确定的视轴长度,利用坐标透视的原理绘制的。 通过透视图,可直观地看出立体线形是否顺适,有否易产生判断错误或茫
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