道路勘測(cè)設(shè)計(jì) 第7講 縱斷面設(shè)計(jì)3-1(新).ppt

1、1,第三章 縱斷面設(shè)計(jì),第一節(jié) 概 述 定義：沿著道路中線豎直剖切然后展開(kāi)即為路線縱斷面。 縱斷面設(shè)計(jì)：在路線縱斷面圖上研究路線線位高度及坡度變化情況的過(guò)程。 任務(wù)：研究縱斷面線形的幾何構(gòu)成及其大小與長(zhǎng)度。 依據(jù)：汽車的動(dòng)力特性、道路等級(jí)、當(dāng)?shù)氐淖匀坏乩項(xiàng)l件以及工程經(jīng)濟(jì)性等。,2,路線縱斷面圖構(gòu)成：,地面線：它是根據(jù)中線上各樁點(diǎn)的高程而點(diǎn)繪的一條不規(guī)則的折線；反映了沿著中線地面的起伏變化情況。 設(shè)計(jì)線：設(shè)計(jì)人員經(jīng)過(guò)技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上、美學(xué)上等多方面比較后定出的一條具有規(guī)則形狀的幾何線，反映了道路線的起伏變化形狀。是路線上各點(diǎn)路基設(shè)計(jì)標(biāo)高的連續(xù)。,3,地面標(biāo)高：中線上地面點(diǎn)高程。 路線縱斷面圖上的設(shè)

2、計(jì)標(biāo)高：即路基設(shè)計(jì)標(biāo)高。 1、新建公路的路基設(shè)計(jì)標(biāo)高： 高速公路和一級(jí)公路采用中央分隔帶的外側(cè)邊緣標(biāo)高；二、三、四級(jí)公路采用路基邊緣標(biāo)高，在設(shè)置超高、加寬地段為設(shè)超高、加寬前該處邊緣標(biāo)高。 2、改建公路的路基設(shè)計(jì)標(biāo)高： 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標(biāo)高。 路堤：設(shè)計(jì)標(biāo)高大于地面標(biāo)高。 路塹：設(shè)計(jì)標(biāo)高小于地面標(biāo)高。 縱斷面設(shè)計(jì)內(nèi)容：坡度及坡長(zhǎng) 豎曲線,4,第二節(jié) 汽車的驅(qū)動(dòng)力及行駛阻力,一、汽車的驅(qū)動(dòng)力 汽車的動(dòng)力來(lái)源： 汽車行駛的驅(qū)動(dòng)力來(lái)自它的內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)。 在發(fā)動(dòng)機(jī)里熱能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系變速和傳動(dòng)，將曲軸的扭矩傳給驅(qū)動(dòng)輪，產(chǎn)生Mk的扭矩驅(qū)動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，

3、輪胎對(duì)路面產(chǎn)生向后的水平推力，則路面對(duì)車輛產(chǎn)生向前的推力，驅(qū)使汽車行駛。,5,汽車傳動(dòng)系統(tǒng)：,6,發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的功率N與產(chǎn)生的扭矩M的關(guān)系：,1發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸扭矩M 及發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性,7,N-n曲線、M-n曲線,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性曲線：,8,東風(fēng)EQ-140發(fā) 動(dòng)機(jī)外特性曲線,9,式中：Nmax發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率(kW)； nN發(fā)動(dòng)機(jī)的最大功率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速（rmin）,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性經(jīng)驗(yàn)公式：,式中：Mmax最大扭矩（Nm）； MN最大功率所對(duì)應(yīng)的扭矩， nN最大功率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速（r/min）； nM最大扭矩所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速(rmin)；,10,發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸上的扭矩M經(jīng)過(guò)變速箱（速比ik）和主傳動(dòng)器（速比i0）

4、兩次變速 兩次變速的總變速比為：=i0ik； 傳動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械效率為T1.0； 傳到驅(qū)動(dòng)輪上的扭矩Mk為： Mk=MT 驅(qū)動(dòng)輪上的轉(zhuǎn)速nk為：,2驅(qū)動(dòng)輪扭矩Mk,車速V與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系：,11,3汽車的驅(qū)動(dòng)力,12,1空氣阻力 汽車在行駛中，由于迎面空氣質(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阻礙汽車前進(jìn)，總稱為空氣阻力。,二、汽車的行駛阻力,式中：K空氣阻力系數(shù)，它與汽車的流線型有關(guān)； 空氣密度，一般=1.2258（Ns2m4）； A汽車迎風(fēng)面積（或稱正投影面積）（m2）； v汽車與空氣的相對(duì)速度（ms），可近似地取汽車的行駛速度。,13,將車速v（ms）化為V（kmh）并化簡(jiǎn)，

5、得,1空氣阻力,對(duì)汽車列車的空氣阻力，一般可按每節(jié)掛車的空氣阻力為其牽引車的20%折算。,14,2道路阻力,道路阻力是由彈性輪胎變形和道路的不同路面類型及縱坡度而產(chǎn)生的阻力，主要包括滾動(dòng)阻力和坡度阻力。 （1）滾動(dòng)阻力 彈性輪胎反復(fù)變形時(shí)，其材料內(nèi)部發(fā)生摩擦要消耗一部分功率。在柔性路面上汽車行駛時(shí)汽車的不僅輪胎變形，而且路面也會(huì)變形，其接觸面之間產(chǎn)生摩擦要消耗部分功率（路面支反力前移，與車輪重力形成反向力矩）。另外，由于路面的不平整而造成輪胎震動(dòng)和撞擊引起部分功率的消耗。,15,（1）滾動(dòng)阻力,滾動(dòng)阻力與汽車的總重力成正比，若坡道傾角為時(shí)，其值可用下式計(jì)算。 RfGfcos 由于坡道傾角一般較

6、小，認(rèn)為cos1，則 Rf=Gf （N） 式中：Rf滾動(dòng)阻力（N）； G車輛總重力（N）； f滾動(dòng)阻力系數(shù)，它與路面類型、輪胎結(jié)構(gòu)和行駛速度等有關(guān)，一般應(yīng)由試驗(yàn)確定，在一定類型的輪胎和一定車速范圍內(nèi)，可視為只和路面狀況有關(guān)的常數(shù)，見(jiàn)表2-4。,16,汽車在坡道傾角為的道路上行駛時(shí)，車重G在平行于路面方向的分力為Gsin，上坡時(shí)它與汽車前進(jìn)方向相反，阻礙汽車行駛；而下坡時(shí)與前進(jìn)方向相同，助推汽車行駛。坡度阻力可用下式計(jì)算 Ri=Gsin 因坡道傾角一般較小，認(rèn)為sintgi，則 Ri=Gi （N） 式中：Ri坡度阻力 （N）； G車輛總重力（N）； i 道路縱坡度，上坡為正；下坡為負(fù)。,（2）坡

7、度阻力,17,RR=G（f+i） 式中：f+i統(tǒng)稱道路阻力系數(shù)。,滾動(dòng)阻力和坡度阻力均與道路狀況有關(guān)，且都與汽車的總重力成正比，將它們統(tǒng)稱為道路阻力，以RR表示,18,汽車變速行駛時(shí)，需要克服其質(zhì)量變速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的慣性力和慣性力矩稱為慣性阻力，用RI表示。 汽車的質(zhì)量：平移質(zhì)量 旋轉(zhuǎn)質(zhì)量,3慣性阻力,平移質(zhì)量的慣性力,旋轉(zhuǎn)質(zhì)量的慣性力矩,19,慣性阻力計(jì)算：,式中：慣性力系數(shù)（或旋轉(zhuǎn)質(zhì)量換算系數(shù)）。 l12ik2 式中：1表示汽車車輪慣性力的影響系數(shù)，一般1=0.030.05； 2表示發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪慣性力的影響系數(shù)，一般小客車2=0.050.07，載重汽車2=0.040.05； ik變速箱的速比。

8、 汽車的總行駛阻力R為： R=Rw十RR十RI,20,1汽車的運(yùn)動(dòng)方程式 汽車在道路上行駛時(shí)，必須有足夠的驅(qū)動(dòng)力來(lái)克服各種行駛阻力。當(dāng)驅(qū)動(dòng)力與各種行駛阻力之代數(shù)和相等的時(shí)候，稱為驅(qū)動(dòng)平衡。其驅(qū)動(dòng)平衡方程式（也稱汽車的運(yùn)動(dòng)方程式）為 T=R=Rw+RR+RI 代入表達(dá)式，汽車的運(yùn)動(dòng)方程式為：,三、汽車的運(yùn)動(dòng)方程式與行駛條件,21,2汽車的行駛條件,汽車在道路上行駛，當(dāng)驅(qū)動(dòng)力等于各種行駛阻力之和時(shí)，汽車就等速行駛；當(dāng)驅(qū)動(dòng)力大于各種行駛阻力之和時(shí)，汽車就加速行駛；當(dāng)驅(qū)動(dòng)力小于各種行駛阻力之和時(shí)，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(dòng)力來(lái)克服各種行駛阻力。即 汽車行駛的必要條

9、件（即驅(qū)動(dòng)條件） ： TR,22,驅(qū)動(dòng)力小于或等于輪胎與路面之間的附著力，即 TGk 式中：附著系數(shù)，主要取決于路面的粗糙程度和潮濕泥濘程度，軋?zhí)サ幕y和氣壓，以及車速和荷載等，計(jì)算時(shí)可按表3-5選用； Gk驅(qū)動(dòng)輪荷載，一般情況下，小汽車為總重的0.50.65倍，載重車為總重的0.650.80倍。,汽車行駛的充分條件：,23,第三節(jié) 汽車的動(dòng)力特性,動(dòng)力特性：能反映汽車動(dòng)力性能的指標(biāo)。 汽車的動(dòng)力性能：指汽車所具有的加速、上坡、最大速度等的性能。汽車的動(dòng)力性愈好，速度就愈高，所能克服的行駛阻力也愈大。 一、汽車的動(dòng)力因數(shù) 汽車的運(yùn)動(dòng)方程式：T = Rw+RR+RI 改變形式， T - Rw=

10、RR+RI 上式等號(hào)左端T-Rw稱為汽車的后備驅(qū)動(dòng)力，T、RW之值均與汽車的構(gòu)造和行駛速度有關(guān)。 代入表達(dá)式，,24,令上式左端為D，即,為使不同類型汽車的動(dòng)力性進(jìn)行比較，且有相同的評(píng)價(jià)尺度，將上式兩端分別除以車輛總重G，得,D稱為動(dòng)力因數(shù)，它表征某型汽車在海平面高程上，滿載情況下，每單位車重克服道路阻力和慣性阻力的性能。,25,26,當(dāng)?shù)缆匪诘夭辉诤Ｆ矫嫔?，汽車也不是滿載，由于海拔增高，氣壓降低，使發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率、汽車的驅(qū)動(dòng)力及空氣阻力都隨之降低，所以，應(yīng)對(duì)動(dòng)力因數(shù)D進(jìn)行修正。方法是給D乘以一個(gè)修正系數(shù)，,海拔荷載修正系數(shù):,稱為動(dòng)力因數(shù)D的海拔荷載修正系數(shù)，其值為,27,式中：海拔系數(shù)，

11、見(jiàn)圖3-5,28,或=（1-2.2610-5H）5.3 其中，H為海拔高度（m）； G滿載時(shí)汽車的總重力（N）； G實(shí)際裝載時(shí)汽車的總重力（N）。,式中：海拔系數(shù)，見(jiàn)圖2-5,29,當(dāng)汽車的動(dòng)力因數(shù)為D，道路阻力系數(shù)為，汽車的行駛狀態(tài)有以下三種情況： 當(dāng)D時(shí)： 加速行駛,二、汽車的行駛狀態(tài),由,得,當(dāng)=D時(shí): a0 等速行駛,當(dāng)D時(shí)： 減速行駛,式中：道路阻力系數(shù)，,30,臨界速度：每一排檔最大動(dòng)力因數(shù)Dmax對(duì)應(yīng)的速度，用Vk表示。,汽車的行駛狀態(tài),31,汽車的最小穩(wěn)定速度：是指滿載（不帶掛車）在路面平整堅(jiān)實(shí)的水平路段上，穩(wěn)定行駛時(shí)的最低速度（即臨界速度Vk）。,32,最大爬坡度：指汽車在堅(jiān)

12、硬路面上用最低檔作等速行駛時(shí)所能克服的最大坡度。 cos1，sintgi， DImax=fcos+sin 解此三角函數(shù)方程式，得最大坡角：,三、汽車的爬坡能力,汽車的爬坡能力是指汽車在良好路面上等速行駛時(shí)克服了其它行駛阻力后所能爬上的縱坡度。,， a=0，則 i=D-f,33,四、理想的最大縱坡和不限長(zhǎng)度的最大縱坡,1. 理想的最大縱坡i1：是指設(shè)計(jì)車型即載重車在油門全開(kāi)的情況下，持續(xù)以理想速度V1等速行駛所能克服的坡度。V1取值，對(duì)低速路為設(shè)計(jì)速度，高速路為上述載重車的最高速度。,i1=D1-f 2. 不限長(zhǎng)度的最大縱坡i2： 容許速度V2：不同等級(jí)的道路容許速度應(yīng)不同，其值一般應(yīng)不小于設(shè)計(jì)

13、速度的1/22/3（高速路取低限，低速路取高限）。 i2=D2-f,34,五、最大縱坡,最大縱坡：是指在縱坡設(shè)計(jì)時(shí)各級(jí)道路允許使用的最大坡度值。 影響因素： 汽車的動(dòng)力特性：汽車在規(guī)定速度下的爬坡能力和下坡的安全性。 道路等級(jí)：等級(jí)高，行駛速度大，要求坡度阻力盡量小。 自然條件：海拔高程、氣候（積雪寒冷等）。 縱坡度大小的優(yōu)劣： 坡度大：行車?yán)щy：上坡速度低，下坡較危險(xiǎn)。 山區(qū)公路可縮短里程，降低造價(jià)。,35,1. 設(shè)計(jì)速度為120kmh、l00kmh、80kmh的高速公路受地形條件或其他特殊情況限制時(shí)，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，最大縱坡值可增加1。 2. 公路改建中，設(shè)計(jì)速度為40kmh、30kmh、

14、20kmh的利用原有公路的路段，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，最大縱坡值可增加1。,各級(jí)公路最大縱坡的規(guī)定（表3-9）,3 4 5 6 7 8 9,36,1高原為什么縱坡要折減？ 在高海拔地區(qū)，因空氣密度下降而使汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、汽車的驅(qū)動(dòng)力以及空氣阻力降低，導(dǎo)致汽車的爬坡能力下降。另外，汽車水箱中的水易于沸騰而破壞冷卻系統(tǒng)。 2規(guī)范規(guī)定：位于海拔3000m以上的高原地區(qū)，各級(jí)公路的最大縱坡值應(yīng)按書P60頁(yè)表3-10規(guī)定予以折減。折減后若小于4%，則仍采用4%。,高原縱坡折減,37,坡長(zhǎng)是縱斷面上相鄰兩變坡點(diǎn)間的長(zhǎng)度。 內(nèi)容：最小坡長(zhǎng)限制：任何路段 最大坡長(zhǎng)限制：陡坡路段 1最小坡長(zhǎng)限制 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，各級(jí)公路

15、最小坡長(zhǎng)一般不應(yīng)小于915s行程，按書P64頁(yè)表3-14選用。 城市道路最小坡長(zhǎng)按表書P64頁(yè)表3-15選用。,六、坡長(zhǎng)限制,38,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定各級(jí)公路最大坡長(zhǎng)限制。見(jiàn)書P63頁(yè)表3-11。,2最大坡長(zhǎng)限制,39,城市道路最大坡長(zhǎng)見(jiàn)書P63頁(yè)表3-12。,40,3、緩和坡段,在縱斷面設(shè)計(jì)中，當(dāng)陡坡的長(zhǎng)度達(dá)到限制坡長(zhǎng)時(shí)，應(yīng)安排一段緩坡，用以恢復(fù)在陡坡上降低的速度。同時(shí)，從下坡安全考慮，緩坡也是需要的。 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，連續(xù)上坡(或下坡)時(shí)，應(yīng)在不大于所規(guī)定的縱坡長(zhǎng)度范圍內(nèi)設(shè)置緩和坡段。緩和坡段的縱坡應(yīng)不大于3，其長(zhǎng)度不應(yīng)小于最小坡長(zhǎng)。,41,最小縱坡：各級(jí)公路在特殊情況下容許使用的最小坡度值。 最小縱坡值

16、：0.3%，一般情況下0.5%為宜。 適用條件：橫向排水不暢路段。 設(shè)置邊溝的低填方路段。 干旱少雨地區(qū)以及橫向排水良好，不產(chǎn)生路面積水的路段最小縱坡可不受上述限制。,4、最小縱坡,42,5、平均縱坡,平均縱坡是指一定長(zhǎng)度的路段縱向所克服的高差H與該路段的距離L之比。,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：二、三、四級(jí)公路越嶺路線連續(xù)上坡(或下坡)路段，相對(duì)高差為200500m時(shí)，平均縱坡不應(yīng)大于5.5；相對(duì)高差大于500m時(shí)，平均縱坡不應(yīng)大于5。 任意連續(xù)3km路段平均縱坡不應(yīng)大于5.5。,43,1）.定義：合成坡度是指由路線縱坡與彎道超高橫坡或路拱橫坡組合而成的坡度，其方向即流水線方向。 合成坡度的計(jì)算公式為：,6、合成坡度,式中：I合成坡度（%）； ih超高橫坡度或路拱橫坡度（%）； i路線設(shè)計(jì)縱坡坡度（%）。,44,（1）最大允許合成坡度值：P65頁(yè)表3