道路勘测设计之平面设计.ppt

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1、,第二章 平面设计,道路中心线的空间位置,第一节 概述,道路,布设在地球表面上的三维空间实体工程构筑物，包括路基、路面、桥涵、隧道及其他沿线设施等,路线,线形,道路中心线的立体形状,路线平面,道路中心线的水平投影,路线纵断面,沿中线竖直剖切再行展开的断面（展开是指展开平面、纵坡不变）,路线横断面,中线上任一点的法向垂直切面,一、相关概念,道路设计的顺序取决于道路设计要解决的主要矛盾公路:平面纵断面横断面城市道路：横断面平面纵断面,二、汽车行驶轨迹与道路平面线形,（一）汽车行驶轨迹 1、基本假定 汽车为一刚体 左右轮的差别不计 2、汽车行驶轨迹的特性 轨迹是连续的、圆滑的，任一点不出现错头和尖端

2、 曲率是连续的，任一点不出现两个曲率值 曲率变化是连续的，任一点不出现两个曲率变化率值,直线圆直线不满足第二、三条性质，但满足第一条要求，满足了车辆的直行和转向要求，可在低等级山区道路采用。,道路线形与行驶轨迹的符合性,直缓圆缓直,线形符合汽车行驶轨迹特性的第一条和二条，但不满足第三条要求，不是最理想的，但与汽车行驶轨迹接近。现代道路线形均采用这种线形组合。为什么？,1、平面线形三要素直线、圆曲线和缓和曲线2、平面设计的主要内容（任务）根据汽车行驶的力学性质和行驶轨迹要求，合理地确定各线形要素的几何参数（单一要素的设计）以及各个要素间的组合设计（结合自然地理状况、考虑安全、环保等方面的要求）,

3、（二）平面线形要素,平面线形与交通事故,相关研究表明：丹麦 20%的伤亡事故，13%的死亡事故发生在平曲线路段法国超过 20%的死亡事故发生在危险的平曲线上,发展中国家情况：,平曲线上事故形态,两种主要事故形态冲出路边撞固定物（Running off the road and hitting an object）失控翻车（Lost control and Rolled over）,都与平面设计不当有关,第二节 直线,一、直线的特点 优点具有明确的方向性。短捷、直达。行驶受力简单，方向明确，驾驶操作简易。测设简单方便（用简单设备就可以精确量 距、放样等）。具有挺拔的美感。在直线上设构造物更具经济

4、性。,缺点直线单一无变化，与地形及线形自身难以协调。过长的直线在交通量不大且景观缺乏变化时，易使驾驶人员感到单调、疲倦。在直线纵坡路段，易错误估计车间距离、行车速度等。易产生急躁情绪，易超速。,采用直线线形时必须注意线形与地形的关系，在运用直线线形并决定其长度时，必须慎重考虑，一般不宜采用长直线。路线完全不受地形、地物限制的平坦地区或山间的宽阔河谷 地带；城镇及其近郊道路，或以直线为主体进行规划的地区；长大桥梁、隧道等构造物路段；路线交叉点及其附近；双车道公路提供超车的路段。,二、直线的运用,三、直线的最大长度和最小长度,1直线的最大长度 我国标准和规范对直线的最大长度没有严格的规定，但原则规

5、定直线的最大长度应有所限制，尽量避免长直线。最大长度主要应根据驾驶员的视觉反应及心理上的承受能力来确定。直线的最大长度在城镇附近或其他景色有变化的地点大于20V是可以接受的；在景色单调的地点最好控制在20V以内；在特殊的地理条件下应特殊处理。,当直线长度过长时，可采用下列技术措施予以弥补：纵坡不应过大，一般应小于3%。同大半径凹型竖曲线结合为宜。两侧地形过于空旷时，宜采取栽植不同树种或设置 一定建筑物等措施。长直线或长下坡尽头的平曲线，应对路面超高、停 车视距等进行检验，必要时须采用设置标志、增加 路面抗滑能力等安全措施。,竖曲线半径小，纵坡大,大半径凹型竖曲线,改善两边景观,相邻两曲线之间应

6、有一定长度的直线（前一曲线的终点（HZ或YZ）到后一曲线的起点（ZH或ZY）之间的长度）（1）同向曲线间的直线最小长度同向曲线：两个转向相同的相邻曲线之间连以直线而形成的平面线形。断背曲线：同向曲线间连以短的直线形成的线形。,2直线的最小长度,断背曲线的错觉当直线较短时，在视觉上容易形成直线与两端曲线构成反弯的错觉；当直线过短甚至把两个曲线看成是一个曲线。危害：破坏了线形的连续性，造成驾驶操作失误，应尽量避免。解决办法：在两同向曲线间插入较长的直线段去掉中间短直线，做成一个大半径曲线,规范规定：当设计速度60km/h时，同向曲线间的直线最小长度（以m计）以不小于设计速度（以km/h计）的6倍为

7、宜；当地形条件及其它特殊情况限制时，最小直线长度不小于设计速度(以km/h计)的3倍。对于设计速度40km/h时，参考执行即可。在受到条件限制时，宜将同向曲线改为大半径曲线或将两曲线作成复曲线、卵形曲线或C形曲线。,（2）反向曲线间直线的最小长度,反向曲线：两个转向相反的相邻曲线之间连以直线所形成的平面线形。对反向曲线间直线最小长度的规定，主要考虑考虑到其超高和加宽缓和的需要，以及驾驶人员操作的方便。,规范规定：当设计速度60km/h时，反向曲线间直线最小长度（以m计）以不小于设计速度（以km/h计）的2倍为宜。当设计速度40km/h时，可参照上述规定执行。当直线两端设置有缓和曲线时，也可以直

8、接相连，构成S型曲线。,直线段,第三节 圆曲线 一、圆曲线的特点,圆曲线作为公路平面线形具有以下主要特点：优点：容易与地形、地物相适应；线形美观可循性好测设和计算简单；,缺点：汽车行驶受到离心力的作用，操纵较直线上复杂曲线内侧视线易受影响（易存在视距不良）各级公路不论转角大小均应设置圆曲线,二汽车行驶时的横向稳定性,1.汽车在弯道上行驶所受的离心力,假定：汽车在圆曲线上作匀速圆周运动。作用点：汽车重心 方向：水平背离圆心大小：,离心力的影响：对汽车在平曲线上行驶的稳定性影响很大，有使汽车产生横向滑移或横向倾覆的危险。,超高：为了减少离心力的作用，保证汽车在平曲线上稳定行驶，必须把平曲线上的路面

9、做成外侧高、内侧低呈单向横坡的形式，称为超高。,离心力：汽车在弯道上，由于惯性产生的力。,超高,2.曲线上汽车的受力分析,将离心力F和车重分解为平行于路面的横向力和垂直于路面的竖向力，即：横向力：XFcosGSin竖向力：YFSinGcos很小，可以认为sintgih，cos1，ih为超高,引入横向力系数，作为衡量稳定性程度的指标，其意义为单位车重的横向力，即,用V（km/h）表达上述公式，则：,3.横向倾覆条件分析,横向倾覆：汽车在横向力的作用下，可能产生绕外侧车轮触地点向外倾覆的危险。,稳定条件：倾覆力矩小于或等于稳定力矩。即:,Fih远小于G，可略去不计，则,为不致发生横向倾覆的曲线半径

10、、速度、超高的关系式。,横向滑移：汽车在横向力的作用下，可能产生沿横向力方向的侧向滑移。稳定条件：横向力小于或等于轮胎与路面之间的横向附着力。即：,可计算出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R或最大允许行驶速度V。,4.横向滑移条件分析,h横向附着系数,为不致发生横向滑移的曲线半径、速度、超高及横向摩阻系数的关系式。,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值的大小。现代汽车在设计制造时重心较低，一般：,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。在道路设计中应保证汽车不产生横向滑移，同时也就保证了横向倾覆的稳定性。,5.横向稳定性的保证,不倾覆的

11、半径,不滑移的半径,三、圆曲线半径及圆曲线长度,（一）公式与因素,在指定车速V下，R取决于 和ih的容许值。1关于横向力系数（1）保证不危及行车安全 为保证汽车用普通轮胎在最不利路面状况下能不产生横向滑移，应小于0.2。h（2）不增加驾驶操纵的困难,前进方向,驱动方向,离心力方向,为横向滑移角：汽车在弯道行驶时，由于路面与轮胎之间横向力的作用，车轮的回转方向与汽车的前进方向不一致，两方向的夹角称为横向滑移角。横向滑移角的存在会增加驾驶操纵的难度。横向滑移角越大，横向摩阻系数也增大，超过一定角度时，横向摩阻系数则不再增加。为了保证安全，相应的0.10.15,（3）考虑不致大幅增加燃料消耗和轮胎磨

12、损的存在使车辆的燃油消耗和轮胎磨损增加。横向力系数为0.2时，其燃料消耗与轮胎磨损分别比0时多20和3倍。（4）考虑舒适性 当超过一定数值时，驾驶者在曲线行驶中驾驶紧张，乘客感到不舒适。0.10.15间，舒适性可以接受。考虑对行车的安全、经济与舒适方面的要求，最大横向力系数采用：,Side Friction Factor,2关于最大超高（1）要考虑车辆组成在混合交通的道路上，要同时顾及快、慢车，快车超高宜大，慢车超高宜小。（2）要考虑气候条件慢车及停在弯道上的车辆在不利季节情况要能避免沿路面最大合成坡度下滑。（一年中气候恶劣季节路面的横向摩阻系数）（3）要考虑周边土地开发利用（城区或乡村）对重

13、山区、城市附近、交叉口以及有相当数量非机动车行驶的道路，最大超高还要比一般道路小些。（4）要考虑顺适感,标准根据不同横向摩阻系数值，对于不同等级的公路规定了极限最小半径、一般最小半径和不设超高的最小半径三个最小半径。1极限最小半径定义：指各级公路在采用允许最大超高和允许的横向摩阻系数情况下，能保证汽车安全行驶的最小半径。极限最小半径是路线设计中的极限值，是在特殊困难条件下不得已才使用的，一般不轻易采用。,（二）最小半径的计算,各级公路在采用满足舒适性要求的超高和横向摩阻系数，同时兼顾经济性要求的最小半径。标准中计算一般最小半径时:设计时应采用大于或等于一般最小半径。该半径考虑了汽车行驶的舒适性

14、，保证旅客有充分的舒适感；考虑了经济性，地形复杂的情况下采用此半径不会过多增加工程量。,2一般最小半径,指平曲线半径较大，离心力较小时，汽车沿双向路拱（不设超高）外侧行驶的路面摩阻力足以保证汽车行驶安全稳定所采用的最小半径。路面不设超高。,，,=0.0350.040,=0.0400.050,3不设超高的最小半径,（三）圆曲线半径的运用,1.确定半径应考虑安全、经济、舒适等因素，在适应地形的情况下应选用较大的曲线半径。,根据相关的研究成果，圆曲线半径对安全性的影响有以下结论：,（1）大量交通事故与小半径曲线有关（2）交通事故率和事故严重程度随着曲线半径的增加而降低（3）曲线半径低于200m的路段

15、交通事故率要比曲线半径大于400m的路段至少高一倍（4）从安全方面考虑，400m是曲线半径选择的参考值（5）当曲线半径大于400m，再增加半径对安全性提高没有太大的影响,一般情况下宜采用极限最小平曲线半径的48倍，或超高为2%4%的圆曲线半径。地形等条件受限制时，应采用大于或等于一般最小半径。地形条件特殊困难而不得已时，经论证方可采用极限最小半径。选用曲线半径时，最大半径值一般不应超过10000m为宜。应同前后线形要素相协调，构成连续、均衡的曲线线形。应同纵面线形相配合，必须避免小半径曲线与陡坡相重合。,2.半径设计时，可按下列方法确定,（四）圆曲线最小长度,圆曲线长度不应过短，应满足驾驶操纵

16、需要，其最小长度应满足汽车3S行程的需要,Ly=YH-HY,Lymin=v*t=V/1.2(m),V-设计速度（km/h）,各级公路圆曲线最小长度，为按照上式计算取5的倍数后的值。,第四节 缓和曲线,缓和曲线是道路平面线形三要素之一。缓和曲线：设置在直线和圆曲线之间或半径相差较大的两个转向相同的圆曲线之间的一种曲率连续变化的曲线。规范规定：除四级公路外的其它各级公路都应设置缓和曲线，另外，当圆曲线半径大于“不设超高的最小半径”时可省略缓和曲线。,1.曲率连续变化，便于车辆遵循。保障行驶安全2.保证汽车离心加速度逐渐变化，旅客感觉舒适。提高行车舒适性3.满足设置超高和加宽的要求。提高安全、舒适

17、4.增加线形美观。提高公路的美观程度,一、缓和曲线的作用与性质,（一）缓和曲线的作用,无缓和曲线,设缓和曲线,from AASHTOs A Policy on Geometric Design of Highways and Streets 2001,无缓和曲线,有缓和曲线,有缓和曲线,假定：1.汽车为一刚体，转弯时汽车不变形，忽略弹性轮胎的变形。2.左、右轮差别不计，只研究重心的轨迹。3.转弯时汽车等速行驶，驾驶员匀速转动方向盘。,（二）缓和曲线的性质,它们之间的关系：,为小于1的系数,为方向盘转动的角速度（rad/s）；t为行驶时间（s）,因此：,半径为r，由图可知：,d与半径r相比很小,

18、行驶距离,由上式：,式中,为常数。令,可得缓和曲线方程：,或者：,r，分别为缓和曲线上任一点的曲率半径和弧长。即：曲率半径与弧长的乘积为常数，或曲率随弧长线性变化。,凡满足上述性质的曲线都可作为缓和曲线 回旋线三次抛物线 双纽线 n次抛物线 正弦形曲线 我国公路设计采用的缓和曲线形式是“回旋线”,（三）缓和曲线的采用形式,二、回旋线作为缓和曲线,（一）回旋线的基本方式 1.定义：回旋线是曲率随着曲线长度成比例变化的曲线 2.基本公式：,r为任意点的曲率半径，l为距起点的曲线长，A回旋线参数，表示回旋线曲率变化的缓急程度。3.特点,满足行车轨迹的程度：线形连续光滑曲率连续曲率变化率不连续,（二）

19、回旋线的性质,1.曲率按线性函数增大 A越大，曲率k越小，回旋线变化慢；A越小，曲率k越大，回旋线变化快.2.所有回旋线都几何相似 回旋线的形状是相似的，单位回旋线（当A=1时）的性质可以代表所有回旋线。,3切线角与曲线长平方成正比,当,时，,或者：,对其积分得：,5.回旋线特性点,这是回旋线的最大应用范围,几何要素公式（测量学中已讲）,三、缓和曲线的最小长度及参数,（一）确定缓和曲线长度考虑的因素及其最小长度,1.旅客感觉舒适,通过限制离心加速度的变化率来保证舒适性的要求，就是限制离心加速度随缓和曲线曲率的变化不要过快，从而达到旅客感觉舒适。,圆曲线上的离心加速度：,行驶时间：,离心加速度变

20、化率：,缓和曲线长度：,直线上a=0,由0a的过渡时间,上式表明，设计速度和连接的圆曲线半径一定的情况下，缓和曲线最小值取决于离心加速度的变化率的取值。关于s的取值国外铁路s 0.160.3m/s3。考虑公路的富裕宽度，公路上可以大一些。美国一般采用s=2英尺/秒3（0.61m/s3），最好采用s=1英尺/秒3(0.3m/s3)。德国规定s 0.5m/s3参照国外规定，建议高速路s 0.3m/s3,低速路s 0.5m/s3,2.超高渐变率适中,在超高渐变的过程中，路面外侧逐渐抬高，在外侧边线上形成一个“附加坡度”，这个附加坡度称为超高渐变率。,当圆曲线段的超高值一定时，附加坡度的大小就取决于L

21、s的长度。附加坡度pBi/Ls。当Ls过短，p太大，对行车和路容不利；Ls过长，p太小，对排水不利。,p,3.行驶时间不过短（满足3s行程）,标准制定时，取上述三者计算的最小值，按5或10的倍数取整。,各级公路缓和曲线最小长度,城市道路缓和曲线最小长度,（二）缓和曲线参数A值,当R接近100m时，则AR；当R100m时，则AR；当100mR3000m，则AR/3（取R/3左右）；当R3000m，则AR/3。,（三）缓和曲线的省略,也可以这样理解，如果R很大，产生的内移值很小，考虑行车道有一定的富裕宽度，可以省略缓和曲线。,将设计车速代入，可以求算出必须设缓和曲线的最大半径。,长安大学公路学院,

22、第五节 平面线形设计,线形要素组合类型的定义、组合要求,3,线形设计的重要性,三要素设计只能保证汽车在单一要素上行驶的安全，即使各要素设计满足要求，也无法保证整个线形的安全和通行能力等,线形设计（组合设计或要素之间的连接设计）起到保证线形连续、行驶安全、美观、与环境适应的重要作用,长安大学公路学院,一、平面线形设计一般原则,1.平面线形应与地形相适应，与周围环境相协调。道路不是白纸上画出来的！道路是在已有自然条件的基础上建设的人工构造物！掌握的原则：宜直则直，宜曲则曲，不片面“取直”，不刻意“求曲”。采用直线还是曲线取决于地形条件和周围的环境条件。,长安大学公路学院,在宽阔的平原微丘区，路线应

23、直捷顺畅。,长安大学公路学院,在起伏的山岭和丘陵地区，线形以曲线为主。,长安大学公路学院,在戈壁、草原、沼泽等开阔地区，以直线为主。,长安大学公路学院,2.平面线形应保持均衡、连贯设计的线形应保证车辆在其上能以均匀速度行驶，各要素应保持连续、均衡，避免突变。不要在长直线尽头设置小半径曲线，不要从大半径曲线直接连到小半径曲线。特别是长下坡路段，更要避免这种情况原因：会造成线形剧变，易发生交通事故。事故形态：翻车、与对向车相撞或碰撞路侧护栏。,某省公路线形实例,由于线形设计不当引起的安全问题,长安大学公路学院,不可避免设置小半径曲线时，在直线与小半径曲线间，要设置过渡性曲线（适当半径的曲线）,长安

24、大学公路学院,高低标准之间要有过渡 同一等级道路上大、小指标间的均衡过渡长直线与小半径曲线之间。相邻的大小半径曲线之间。同一条道路上采用不同设计速度设计的路段之间的过渡。设计速度差不大于20km/h，在标准变更的相互衔接处前、后一定长度范围内主要技术指标应逐渐过渡，避免产生突变，设计速度高的一端应采用较低的平、纵技术指标，反之则应采用较高的平、纵技术指标，以使平、纵线形技术指标较为均衡。,3、线形设计应考虑与构造物和附属设施的关系 路侧无斜坡、行道树时，驾驶员容易对曲率判断错误，很难沿着线形行车，造成交通事故，如高填方路 段。事故形态：翻车 处理方法：高填方路段不得已插入曲线时，要设置大半径曲

25、线，并设置护栏、照明等设施诱导驾驶员视线，或采取植树措施诱导视线。,4、必须注意曲线间的相互组合设置复曲线时，应注意小半径曲线尽量避免用于复曲线不得已时，R180km/h),或R12.0R2(V80km/h)否则影响线形连贯和安全反向曲线间的距离应有足够的设超高的长度,曲线组合不当引起的事故,5、必须注意与纵断面线形的组合,长安大学公路学院,3.回头曲线的设置。回头曲线是在山区越岭线的特别困难地段，以延长展线方式克服高差而采用的一种特殊曲线类型。,回头曲线一般是由一个主曲线、两个辅助曲线和主、辅曲线所夹的直线段组合而成的复杂曲线。,长安大学公路学院,4.平曲线应有足够的长度 平曲线的最小长度

26、平曲线一般由前后缓和曲线和中间圆曲线共三段曲线组成，每段曲线至少需要3s的时间。基本型曲线：9s行程 凸型曲线：6s的行程 平曲线最小长度不得小于下表规定。,长安大学公路学院,小偏角的平曲线长度：小偏角曲线的问题：设置了较大的半径也容易把曲线长看成比实际的要短，造成急转弯的错觉。,长安大学公路学院,小偏角曲线要求的平曲线长度 7属于小偏角弯道。为保证小偏角曲线有足够的长度，采用 7的曲线外矢距E与=7时曲线的E相等时的曲线长为最小平曲线长。,表中的为公路转角值（度），当2时，按=2计。,长安大学公路学院,二、平面线形要素的组合类型,1.基本形（1）定义：当按直线回旋线（A1）圆曲线回旋线（A2

27、）直线的顺序组合而成线形。当A1=A2时，叫对称基本型；当A1A2时，叫非对称基本型，A1:A2应不大于2.0。,长安大学公路学院,二、平面线形要素的组合类型,（2）组合要求 基本形设计时，为使线形协调，A值的选择最好使回旋线、圆曲线、回旋线的长度以大致接近为宜（但在许多情况下是无法做到的）。,长安大学公路学院,二、平面线形要素的组合类型,2.S形（1）S形定义：两个反向圆曲线用两段反向回旋线连接的组合形式。,二、平面线形要素的组合类型,（2）组合要求 S形相邻两个回旋线参数A1与A2宜相等。达不到时，A1与A2之比应小于2.0，有条件时以小于1.5为宜。当A2 200时，A1与A2之比应小于

28、1.5。S型的两个反向回旋线以径相连接为宜。当受地形或其它条件限制而不得不插入短直线或两圆曲线的回旋线相互重合时，其短直线的长度应符合下式规定：L（A1A2）/40 两圆曲线半径之比也不宜过大，以R1/R21/2为宜(R1、R2分别为大小圆半径，A1、A2分别为大小圆的缓和曲线参数）。,二、平面线形要素的组合类型,（3）S形曲线的计算 已知某公路有两个交点间距为D=328.912m，JD1=K5+250.14，偏角1=491517（右偏），半径R1=200m；Ls1=70m；JD2为左偏，2=853930。要求：按S型曲线计算确定Ls2、R2，并计算两曲线主点里程桩号。,计算步骤：（1）先根据

29、1、R1、Ls1，计算T1;（2）T2=D-T2 根据S形的组合要求，假定Ls2（3）用T2、LS2、2计算R2。（4）检查R2是否符合S形的组合要求，如不能，重新调整计算。,长安大学公路学院,二、平面线形要素的组合类型,3.卵形（1）定义：两同向的平曲线，按直线缓和曲线（A1）圆曲线（R1）缓和曲线（AF）圆曲线（R2）缓和曲线（A2）直线的顺序组合而成的线形。,卵形曲线,长安大学公路学院,二、平面线形要素的组合类型,（2）组合要求：大圆能完全包住小圆而且不是同心圆。卵型曲线用一个回旋线连接两个圆曲线，其公用缓和曲线 的参数AF最好在R2/2A R2范围内（R2为小圆半径）；,长安大学公路学

30、院,二、平面线形要素的组合类型,（2）组合要求：圆曲线半径之比以满足R2/R1=0.20.8为宜；两圆曲线的间距，以D/R2=0.0030.03为宜，（D为两圆曲线间的最小间距）。,长安大学公路学院,二、平面线形要素的组合类型,4.凸形（1）定义：两段同向缓和曲线之间不插入圆曲线而径相衔接的组合形式（圆曲线长度为零）（2）组合要求：凸形的回旋线的参数及其连接点的曲率半径，应分别符合容许最小回旋线参数和圆曲线最小半径的规定。连接点附近最小0.3V的长度范围内，应保持以连接点的曲率半径确定的横坡度。,（3）适用条件 只有在路线严格受地形、地物限制处方可采用凸形。,长安大学公路学院,二、平面线形要素的组合类型,5.复合形（1）定义：将两个以上的同向回旋线在曲率相等处相互连接的线形。（2）组合要求：复合形的相邻两个回旋线参数之比以小于1：1.5为宜。,（3）适用条件复合曲线在受地形条件限制，或互通式立体交叉的匝道设计中可采用。,长安大学公路学院,二、平面线形要素的组合类型,6.C形（1）定义：两同向回旋线在曲率为零处径相连接（即连接处曲率为0，半径为）的组合线形。（2）适用条件C形曲线仅限于地形条件特殊困难，路线严格受限制时方可采用。,END,