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1、第三章 纵断面设计,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。,路线纵断面图构成：,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。 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,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
2、线； 设计线：路线上各点路基边缘或中线设计高程的连续。,第二节 纵坡及坡长设计,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。 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。 6对
3、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）。,1、汽车的驱动力 汽车的动力来源：汽车传动系统,发动机输出的功率N与产生的扭矩M的关系：,1)发动机曲轴扭矩M 及发动机转速特性,N-n曲线、M-n曲线,发动机转速特性曲线：,东风EQ-140发 动机外特性曲线,式中：
4、Nmax发动机的最大功率(kW)； nN发动机的最大功率所对应的转速（rmin）,发动机转速特性经验公式：,式中：Mmax最大扭矩（Nm）； MN最大功率所对应的扭矩， nN最大功率所对应的转速（r/min）； nM最大扭矩所对应的转速(rmin)；,发动机曲轴上的扭矩M经过变速箱（速比ik）和主传动器（速比i0）两次变速,总变速比为：=i0ik； 传动系统的机械效率为T1.0； 传到驱动轮上的扭矩Mk为： Mk=MT 驱动轮上的转速nk为：,2)驱动轮扭矩Mk,车速V与发电机转速关系：,3)汽车的驱动力,1)空气阻力,2、汽车的行驶阻力,2)道路阻力,（1）滚动阻力 滚动阻力与汽车的总重力成
5、正比，若坡道倾角为时，其值可用下式计算。 RfGfcos 由于坡道倾角一般较小，认为cos1，则 Rf=Gf （N） （2）坡度阻力 Ri=Gsin 因坡道倾角一般较小，认为sintgi，则 Ri=Gi （N） 道路阻力: R=G（f+i） 式中：f+i统称道路阻力系数。,惯性阻力，用RI表示。 汽车的质量：平移质量 旋转质量,3)惯性阻力,平移质量的惯性力,旋转质量的惯性力矩,惯性阻力计算：,式中：惯性力系数（或旋转质量换算系数）。 l12ik2 式中：1表示汽车车轮惯性力的影响系数，一般1=0.030.05； 2表示发动机飞轮惯性力的影响系数，一般小客车2=0.05 0.07，载重汽车2=
6、0.040.05； ik变速箱的速比。 汽车的总行驶阻力R为： R=Rw十RR十RI,1)汽车的运动方程式 T=R=Rw+RR+RI 代入表达式，汽车的运动方程式为：,3、汽车的运动方程式与行驶条件,2)汽车的行驶条件,汽车行驶的必要条件（即驱动条件） ： TR 汽车行驶的充分条件： TGk,4、 汽车的动力特性,汽车的动力性能：加速、上坡、最大速度等 1）、汽车的动力因数 汽车的运动方程式：T = Rw+RR+RI 改变形式， T - Rw= RR+RI T-Rw称为汽车的后备驱动力，代入表达式，,令上式左端为D，即,为使不同类型汽车的动力性进行比较，且有相同的评价尺度，将上式两端分别除以车
7、辆总重G，得,D称为动力因数，它表征某型汽车在海平面高程上，满载情况下，每单位车重克服道路阻力和惯性阻力的性能。,海拔荷载修正系数:,称为动力因数D的海拔荷载修正系数，其值为,式中：海拔系数，见图2-5,=（1-2.2610-5H）5.3 其中，H为海拔高度（m）； G满载时汽车的总重力（N）； G实际装载时汽车的总重力（N）。,当汽车的动力因数为D，道路阻力为，汽车的行驶状态有以下三种情况： 当D时： 加速行驶,5、汽车的行驶状态,由,得,当=D时: a0 等速行驶,当D时： 减速行驶,式中：道路阻力系数，,平衡速度：任意的D相应等速行驶的速度，用VP表示。 临界速度：每一排档最大动力因数D
8、max对应的速度，用Vk表示。,汽车的行驶状态,汽车的最高、最小速度,汽车的最高速度：是指节流阀全开、满载（不带挂车）、在表面平整坚实水平路段上作稳定行驶时的速度。 某一排档的最高速度Vmax ：,汽车的最小稳定速度：是指满载（不带挂车）在路面平整坚实的水平路段上，稳定行驶时的最低速度（即临界速度Vk）。,最大爬坡度： cos1，sintgi， DImax=fcos+sin 解此三角函数方程式，得最大坡角：,5、汽车的爬坡能力,汽车的爬坡能力,， a=0，则 i=D-f,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
9、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，经技术经济论证，最大纵坡值可增加1。 3.城市道路最大纵坡为相应车速公路的减小1。 4.大中桥不宜大于4，长隧道不宜大于3。,6、各级公路最大纵坡的规定,3 4 5 6 7 8 9,1高原为什么纵坡要折减？ 在高海拔地区，因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4-3的规定予以折减。折减后若小于4%，则仍采用4%。,高原纵坡折减,最小纵
10、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。,7、最小纵坡,8、缓和坡段,标准规定，连续上坡(或下坡)时，应在不大于规范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,9、平均纵坡,平均纵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（
11、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：,10、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（%）。,2.最大允许合成坡度值：,最小合成坡度： 最小合
12、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。,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,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。,内容：最小坡长限制：任何路段 最大坡长：陡坡路段,二、坡长限制,1）计算加、减速行程 由ds=vdt，a=dv/dt，得,1、汽车的加、减速行程,设初速V1，终速V2，则,东风EQ-140加、减速行程
13、图,2）. 加、减速行程图,加、减速行程图用法,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下表选用。,2最大坡长限制,3最短坡长限制 标准规定，各级公路最短坡长不应小于2.5V m。 最小坡长按下表选用。,三、 爬坡车道：陡坡路段正线行车道外侧增设的供载重车 行使的专用车道。,路缘带,正线,起点,终点,L=45m,L,L=60m,1、设置条件 2、设计要点：宽度、坡度、长度,四、 避险车道：指在长陡下坡路段行车道外侧增设的供速度失控车辆驶离正线安全减速的专用车道。 1、组成：引道、制动车道、服务车道、辅助设施 2、类型：上坡道型、平坡道型、下坡道型、砂堆型 3、设计要点：,