同济大学：道路规划与几何设计 1-5章.ppt

,道路规划与几何设计,同济大学交通运输学院,第一章 绪论,本章主要内容： 一、道路交通运输系统 二、道路的分类与分级 三、道路的组成及道路工程 四、我国道路建设概况 五、道路规划设计的依据和各个阶段的任务,道路交通运输是综合交通运输系统的重要组成部分。道路是道路交通运输系统中最主要的基础设施。按道路在系统中的不同功能，将道路分为高速公路、干线道路、集散道路和地方道路四类。公路和城市道路按功能、任务和交通量等分别将道路分为五个和四个等级，相应采用不同的设计标准。道路由路线、结构物和沿线附属设施三部分组成，道路工程的内容涵盖了规划、设计、施工、养护和运营管理等四个方面。20世纪90年代中期以来，我国的道路建设发展迅速，积累了丰富的经验，技术水平也得到很大的提高。,本章主要内容（2次课）： 一、道路交通运输系统（1） 二、道路的分类与分级（1） 三、道路的组成及道路工程（1） 四、我国道路建设概况（2） 五、道路规划设计的依据和各个阶段的任务 （2）,一、道路交通运输系统,交通运输系统是实现运输活动的载体。整个交通运输系统是由五种基本类型的交通运输系统组成的综合系统： (1) 轨道交通运输由内燃、电力或蒸汽机车牵引的列车在固定的重型或轻型钢轨上行驶的系统； (2) 道路交通运输由汽车在道路上行驶的交通运输系统； (3) 水路交通运输由各种船舶在内河河道、沿海或远洋航线航行的交通运输系统； (4) 航空交通运输由飞机利用空中航路飞行的交通运输系统； (5) 管道交通运输利用管道连续输送原材料的交通运输系统。,我国1950年-2000年各种运输方式的旅客运输构成比例（%）,运输量,周转量,我国1950年-2000年各种运输方式的货物运输构成比例（%）,运输量,周转量,道路交通运输系统是综合交通运输系统的重要组成部分，是一种可以实现“门到门”运输的方式，即货物和旅客可以在起点（厂门、店门、家门）装上汽车后，通过支线迅即进入道路系统，而后直接运送并卸到终点（厂门、店门、家门），中间不需倒换装卸作业。因而，利用道路系统运输货物和旅客具有很大的便利性。 道路路线布设的平面曲率半径可比轨道线路小很多，而纵坡可以比它大，因而，道路交通运输系统的建设受地形限制的程度较轨道交通运输低，易于建成密度较大的路网，使系统具有很高的通达性。但在地形复杂地区，道路交通运输的通达性仍受到一定的限制。 道路交通运输的平均运行速度为中等（30120km/h），受交通密度（车辆拥挤程度）的影响很大。车辆的装载容量较小。道路交通运输基础设施修建和维护的投资量较轨道交通运输低，而其运营费用（运输成本）则较轨道和水路交通运输高；能源（燃油）的消耗量较大。道路交通运输的可靠性和安全性不如其它运输方式。因而，道路交通运输适宜于短途旅客和货物运输，小批量商品或时间价值较高的货物的中途运输。表所示为2000年各类交通运输系统的客货运输平均运距，可看出，公路旅客和货物运输的平均运距为50km上下，是各种交通运输方式中最短的。,道路交通运输系统主要由下列五个基本部分组成： (1) 运载工具汽车、摩托车、自行车等，用以装载所运送的旅客和货物； (2) 道路作为地面运输的通道，供运载工具由一个目的地驶行到另一个目的地； (3) 枢纽、站场汽车站、堆场、物流中心等，作为运输的起点、中转点或终点，供旅客和货物从运载工具上下和装卸； (4) 交通控制和管理为保证运载工具在道路和站场上安全、有效率地运行而设置的各种监视、控制和管理装置和设施，如各种信号、标志、通信、诱导和规则等； (5) 设施管理为保证各项道路设施处于完好或良好的使用或服务状况而设置的设施状况监测和维护（维修）管理。 道路是道路交通运输系统中最主要的基础设施，是系统得以运转的基本条件。,二 、道路的分类与分级,1 、道路的分类,道路交通运输系统的通达性与道路网的布局和密度密切相关。而道路网由不同类型和等级的道路所组成，各条道路在道路网中担负不同的使命，具有不同的功能，发挥着不同的作用。按照道路在道路网中的地位、行程的性质和类型、行程的长度以及所承担的交通量，可将公路和城市道路分为四类： （1）高速道路满足车辆长距离、快速行驶要求的主干线道路，进出高速道路的出入口完全受到控制，同其它道路无平面交叉，对向行车道之间设置分隔带，在各类道路中具有最高的服务水平和安全性； （2）干线道路承担重要集散中心（各个重要城市或城市内各主要区）之间大量长途车流的道路，它们组成道路网的主要骨架，应为之提供尽可能高的服务水平； （3）集散道路连接地方道路（或支路）和干线道路的道路，起着将各个地区的车流汇集和输送到干线道路，或者将干线道路的车流分散到各个地区的作用； （4）地方道路（或支路）直接为小区内部居民交通运输需求服务，延伸到家门口的道路，行程距离较短，交通量较小。 道路的设计标准和服务水平主要按照上述各类道路的功能要求和交通量确定。,2 、道路的分级,以上述道路的功能分类为基础，我国建设部和交通部分别对公路和城市道路进行道路分级。分级的依据主要考虑道路在设计控制和设计标准方面的差异，如： （1）出入口控制；（2）设计速度（计算行车速度）；（3）交通量和服务水平；（4）设计年限；,我国的公路则按使用任务、功能和所适应的交通量水平分为五个等级：高速公路、一级公路、二级公路、三级公路和四级公路。其中，又按公路所在地区的地形条件，分为平原和微丘区及重丘和山岭区，分别采用不同的设计标准。高速和一级公路为汽车分向、分车道行驶的专用公路，二级、三级和四级公路都为汽车和其它车辆共用（混合交通）的公路。各级公路所适应的交通量列于表中，其中，高速和一级公路为双向四车道，其它等级公路为双向二车道，各级公路的计算行车速度（设计速度）要求随地形条件而变，列于表中。 我国的城市道路相应地分为四类：快速路、主干路、次干路和支路。快速路为仅供汽车行驶的道路。对于主干路，采用机动车与非机动车分隔行驶的形式。而对后三类道路，又按照城市的规模、交通量和地形等因素分为，和三级，大城市采用级、中城市采用级和小城市采用级设计标准。,公路分级及设计车速计算行车速度（kmh） P5表1-1,S:服务水平；V:设计车速(Km/h)：Y:设计年限(年)；E:出入口控制方式 Q:适应的年平均日交通量（辆，PCU标准小客车） 高速：四车道：25000-50000；专供汽车分向、分车道行驶，全部控制出入。 六车道：45000-80000； 八车道：60000-100000； 一级：四车道：15000-30000；供汽车分向、分车道行驶，根据需要控制出入。 六车道：25000-55000； 二级：供汽车行驶的双车道公路；5000-15000 三级：主要供汽车行驶的双车道公路；2000-6000 四级：主要供汽车行驶的双(单)车道公路；小于2000(400),城市道路分级及设计车速计算行车速度（kmh）P7表1-2,V:设计车速(Km/h)：Y:设计年限(年)；E:出入口控制方式 1、快速路：P6的具体描述 2、主干路：P6 3、次干路：P6 4、支路：P6,道路的等级应根据道路网规划，道路的功能、使用任务和要求以及远景交通量大小，综合论证后选定。,三、道路的组成及道路工程,道路（公路和城市道路）是主要供汽车行驶的线型工程结构物，由路线、结构物（构造物）和沿线附属设施三个基本部分组成。 道路路线是指道路在地面上的位置及其三维外貌特征（形状和尺寸）。这些特征包括：（1）横断面由车道、中间带、路肩、人行道、自行车道、路侧坡面、绿化带、设施带、路界（红线）等部分组成；（2）平面直线、圆曲线、缓和曲线；（3）纵断面升坡段和长度、降坡段和长度、竖曲线；（4）交叉道路与其它道路及道路与铁路的平面交叉和立体交叉。 道路结构物（或构造物）是道路的实体或主体，它包括：（1）路基按路线的外形尺寸，在地面上修筑的土质或石质结构物；（2）路面在路基顶面铺设的供车辆快速、舒适、安全行驶的路表结构物；（3）涵洞跨越小河、溪流、渠道的小型横向穿越排水构造物；（4）桥梁跨越江河、湖泊、海湾的中型和大型横向穿越排水构造物；（5）隧道穿越山脊、地下的构造物；（6）排水为排除路界表面水、地下水、路面结构内部水、构造物表面及内部水而设置的排水结构物。 为了保证行车安全、方便驾驶、提供服务、进行管理，在道路沿线设置各种附属设施，包括：（1）交通安全设施护栏、防眩栏（板）、反光标志、防护设施（防积雪、积沙、坠石等）；（2）交通管理设施交通信号、标志、标线、标记、情报板、紧急电话、通讯和监视系统；（3）停车停车站、停车场；（4）照明；（5）防噪声墙；（6）服务区车辆加油、维修、餐饮、休息等；（7）收费站；（8）养护管理用的房屋和场地；（9）绿化。,道路工程的内容,道路工程是探讨如何为道路交通运输系统提供快速、安全、舒适、经济的道路设施。围绕这一目标，道路工程覆盖了规划、设计、施工、养护和运营管理等方面的内容。通常将桥梁、涵洞和隧道构造物分别归属于桥梁工程和隧道工程的范畴，而将交通安全和交通管理设施归属于交通工程的范畴。因而，这些构造物和设施不在道路工程课程内论述。 1. 规划方面 道路规划的目的是通过对道路现状的调查和评价以及对未来运输需求的预测分析，弄清现有道路网和道路设施存在的问题和不足，以便制定合理的发展或改善目标，提出适应此发展或改善需求的合理或合适的对策和策略以及实施计划。 （1）调查现有道路网和道路设施的状况（包括设施的物理状况、交通运行状况和经济性等），采集所服务地区的经济和社会数据，并对现有道路网和道路设施对现有运输和交通需求的适应程度进行评价；（2）依据所服务地区的经济和社会发展预测分析，对道路网和道路设施的未来运输和交通需求进行预测，并对现有道路网和道路设施对未来运输和交通需求的适应能力进行评价；（3）制定道路网和道路设施适应未来运输和交通发展需求的发展或改善目标，并提出若干个规划方案；（4）对各规划方案进行道路网和道路设施的使用性能分析，在此基础上进行单独和综合评价，并对选用方案拟订实施计划。 2. 设计方面 道路路线设计通常称为几何设计，其任务为按照设计速度、交通量和服务水平要求以及驾驶特点和车辆运行特性设计出安全、舒适、经济的道路。（1）依据道路的功能和技术等级要求，通过实地政治、经济、地形、地质、水文和气象调查，选择路线的走向、控制点（必经地点）、大桥桥位和隧道位置；（2）结合沿线地形、地质和水文条件，按照技术标准，在规定的控制点之间选定路线的布局并设定其位置，确定路线平面、纵断面和横断面的各项几何要素，进行道路的平面和立体交叉设计等。,对路基的基本要求是整体稳定性好，永久变形小。路基设计的内容主要包含： （1）依据路线设计确定的路基填挖高度和顶面宽度，结合沿线岩质、土质和水文条件等情况，设计路基的横断面形状和边坡坡度；（2）依据当地气候、地质和水文等状况，分析高填深挖路基的坡体稳定性，稳定性不足时，设计支挡结构物；（3）对位于软弱地基上的路基，进行路堤稳定性和沉降分析，需要时选择合适的地基加固处理措施；（4）路基坡面有可能出现剥落、碎落现象或者易受冲刷时，选用合适的坡面防护措施。 对路面的基本要求是足够的承载能力，平整、抗滑和低噪音。路面设计的任务是以最低寿命周期费用提供在设计使用期内满足使用性能要求的路面结构，其内容主要包含： （1）依据设计年限、使用要求、当地自然环境（温度和湿度）、路基支承条件和材料供应情况，提出路面结构类型和层次的选择和组合方案；（2）根据对所选材料的性状要求和当地环境条件（温度和湿度），进行各结构层的混合料组成设计。（3）应用力学模型和相应的计算理论和方法，或者按经验方法，确定满足轴载作用、环境条件和设计年限要求的各结构层的厚度；（4）综合考虑投资、施工、养护和使用性能等方面因素，对可能提供的各备选设计方案进行寿命周期费用分析，选择费用-效果最佳的设计方案。 排水设计的任务是迅速排除降落在道路路界内的地表水，将道路上侧方的地表水和地下水排泄到道路的下侧方，以防止道路路基和路面结构遭受地表水和地下水的浸湿、冲刷等破坏作用。其设计内容为按照地表水和地下水的流向和流量及其对道路的危害程度，设置各种拦截、汇集、疏导、排泄等地表和地下排水设施，如沟渠、管道、渗沟、排水层等，并降它们组成道路排水系统。,3. 施工方面 施工是实现设计的意图，修筑符合质量指标，满足预定使用性能要求的道路设施（主要是路基和路面结构物）。施工的主要内容为： （1）开工前进行组织、技术、物资和现场方面的准备工作，包括落实和培训施工队伍、会审和现场核对设计图纸、恢复定线和进行施工测量、编制施工组织设计和工程预算、准备材料和机具设备、准备施工现场（供水、供电和运输便道）等；（2）路基土石方作业（开挖、运输、填筑、压实和修整），进行地基加固处理，修筑排水构造物、支挡结构物、坡面防护等；（3）铺筑垫层、底基层、基层和面层（混合料的拌和、运输、摊铺、碾压、修整和养生等）；（4）按施工规程和进度要求进行施工管理，并对施工质量进行控制、监督、检查和验 。 4. 养护和运营管理方面 道路设施在使用过程中受行车荷载和自然因素的不断作用而逐渐出现损坏。为保持道路设施的使用性能经常处于符合使用要求的状态，须对道路设施的使用状况进行定期的观测和评价，为制定养护计划提供依据。对于可能或已经出现损坏或不满足使用要求的道路设施，按养护计划和养护规范进行维护、修复或改建，以延缓设施损坏的速率，恢复或提高其使用性能。,四、我国道路建设概况,2000年底，我国共有公路线路里程140.27万公里，拥有民用汽车1608.91万辆（其中，客车占53.06%，货车占44.52%）。公路网的覆盖面已达全国所有的县、98.3%的乡和89.5%的村。2000年，共完成货物运输量103.88亿吨，占交通运输部门总货物运输量的76.5%；货物周转量6129.4亿吨公里，占交通运输部门总货物周转量的13.8%，平均运距59km；完成旅客运输量134.74亿人次，占交通运输部门总旅客运输量的91.1%；旅客周转量6657.42亿人公里，占交通运输部门总旅客周转量的54.30%，平均运距49km。公路交通运输在沟通城乡间的客货交流，繁荣地区经济，提高人民物质和文化生活水平，促进市场经济发展和开发西部地区等方面发挥了积极作用。,全国历年高速公路里程（公里）,国家高速公路网规划,国家高速公路网布局方案可以归纳为“7918”网，采用放射线和纵横网格相结合的形式，包括7条北京放射线、9条纵向路线和18条横向路线组成，总规模约8.5万公里，其中主线6.8万公里，地区环线、联络线等其它路线约1.7万公里。按静态投资匡算，完成国家高速公路网的建设任务需要投资2.2万亿元，可累计创造国内生产总值6.6万亿元，创造就业岗位4400万个，将对我国经济与社会发展作出重要贡献。在规划的8.5万公里国家高速公路网中，目前已建成2.5万公里、在建1.6万公里、待建4.4万公里，分别占总里程的29%、19%和52%。要实现国家高速公路网规划，需投资约2.2万亿元（静态投资），其中东部地区4300亿元、中部地区5700亿元、西部地区12000亿元。到“十五”末，国家高速公路网建成3.5万公里，占总里程的40%以上；到2007年本届政府任期内，建成4.2万公里，占总里程的近一半，全面完成“五纵七横”国道主干线系统中的高速公路；到2010年，建成55.5万公里，占总里程的60%65%。,国家高速公路网规划,到2020年长江三角洲高速公路将达1.18万公里，其中国家高速公路达6200万公里，地方高速公路达5600公里 ，其中上海850公里、江苏5700公里，浙江5250公里。到2003年低，长三角地区已经完成高速公路3779公里。,上海；93年道路交通建设项目投资达172.53亿元。94年223.39亿元。96年335.1亿元。过去几年上海建成了一大批市政交通建设项目。48Km内环线（高架32Km）。97.37Km外环线（浦东50.17，浦西47.2）。成都路高架8.3Km。延安路高架（西路、东路）。地铁一号线16Km（延长后21Km）。地铁二号线30Km。 延安东路隧道复线。沪青平一级路51.68Km，沪太路。杨高路（其他：浦东40Km）。奉浦大桥。一批立交（东阳路、罗山路、金桥、漕溪路、延安路、共和新路、成都路-天目路）外滩、吴凇路、江苏路、河南路，蕴藻浜大桥。莘庄立交。 徐浦大桥。周家嘴路。浦东国际机场配套（远东大道、龙东大道）。,五、道路规划设计的依据和各个阶段的任务,1、道路规划设计的依据,（1）、设计车辆 汽车可分为客车和货车两大类。客车包括小客车（轿车）、面包车、公共汽车（小型、中型和铰接式）等。货车可进一步分为卡车（轻型、中型和重型）和组合式货车（各种拖挂式货车）两类。 各类汽车的外廓尺寸由总长度、宽度和高度组成，它们影响到对道路的车道宽度、净空和转弯半径等方面的要求。影响道路几何设计和结构设计的其它尺寸参数还有：车身前缘到前轴的长度（前悬距离）、车身后缘到后轴的长度（后悬距离）、前后轴中心距（轴距）、双轴中心距、三轴中心距、轮中心距等。 更详细的内容将在第二章讲述。,轴距,后悬,前悬,路上行驶着不同类型的车辆，各具不同的尺寸，对道路的几何尺寸分别提出不同的要求。道路几何设计时，通常选择一些车辆作为设计车辆，这些车辆的尺寸和行驶特性要求将对设计起控制作用。设计车辆的选择依据道路的功能等级和使用该道路的车辆组成。轿车和卡车一般是道路设计选用的最小的车辆。大多数公路设计时应考虑选择一种半挂式组合货车作为设计车辆，特别在弯道处设有路缘石或分隔带时。我国公路工程技术标准和城市道路设计规范为三种类型的车辆：小客车、卡车和半挂车（铰接车），分别规定了设计车辆的外廓尺寸，作为设计时的控制指标。表列出了有关的规定值。此外，还限定了路上行驶车辆的总长度不得超过20m；总高度不得超过4.3m；宽度不得超过3m。 公路和城市道路设计用的设计车辆外廓尺寸（m）,注：括号外数值公路的设计车辆外廓尺寸；括号内数值为城市道路的设计车辆外廓尺寸。,（2）、设计车速（计算行车速度）,设计速度是公路设计时确定几何线形的基本要素，它是在气象条件良好车辆行驶只受公路本身条件影响时具有中等驾驶技术的人员能够安全顺适驾驶车辆的速度，因此它与运行速度有密切关系，根据国内外观测研究当设计速度高时，运行速度低于设计速度，而当设计速度低时，运行速度高于设计速度，这也说明设计速度与运行安全有关。 设计速度是公路设计时确定其几何线形的最关键参数，我国从20 世纪50 年代起引入了设计车速的概念作为路线设计的基础指标，根据车辆动力性能和地形条件确定了不同等级公路的设计速度指标，各级公路按地形条件的差别从20km/h 到120km/h 设计速度一经选定，公路的所有相关要素如视距、超高、纵坡竖曲线半径等指标均与其配合以获得均衡设计。目前基于设计速度的路线设计方法已被所有设计人员所掌握。 但是经过多年来的实践设计与管理人员发现这种设计方法本身存在一定的缺陷，现有路段观测结果表明设计速度的设计方法不能保证线形标准的一致性，实际的行驶速度总是随公路线形车辆动力性能及驾驶员特性等各种条件的改变而变化，只要条件允许驾驶者总是倾向于采用较高的速度行驶，从公路使用者安全角度的考虑在进行公路路线设计时不能简单地以设计速度来控制公路线形指标，因为车辆是连续行驶的需要以动态的观点来考虑车辆进入曲线时的运行速度，所选择的设计速度要与车辆运行速度相适应从而提高公路的安全性。,针对设计速度方法存在的主要问题，德法等欧洲国家和美国澳大利亚等发达国家广泛运用了以运行速度概念为基础的路线设计方法，因为运行速度考虑了公路上绝大多数驾驶员的交通心理需求，以车辆的实际运行速度作为线形设计速度从而有效地保证了路线所有相关要素如视距、超高、纵坡竖曲线半径等指标与设计速度的合理搭配，可以获得连续一致的均衡设计。 运行车速的引入可以有效地解决路线设计指标与实际行驶速度所要求的线形指标脱节的问题，但由于国内外的交通条件和驾驶员行为差别明显，欲采纳这种设计方法须对我国的运行速度进行深入的调查，确定适合国情的设计参数值。,运行车速的引入,V:设计车速(Km/h),（3）、交通量,交通量为单位时段内通过道路上某断面的车辆数。它是表征交通流特性的重要参数之一，也是衡量道路设施生产率的一项主要指标。 按照所取时段单位的不同，交通量可表述为： （1）小时交通量（HT）单位小时内的车辆数（辆/小时）； （2）年平均日交通量（AADT）在一年内每日交通量的平均数（辆/天），即一年内通过的车辆总数除以365天； （3）平均日交通量（ADT）在少于一年的时段内的每日交通量的平均数（辆/天），即该时间段内通过的车辆总数除以时段天数；,交通量的时间变化和空间分布,交通量是交通需求同交通流相互作用的结果。随着经济和社会活动对交通需求的变化，交通量也相应地随时间发生变化。这种变化表现为： （1）月变化在一年内的不同月份，各月的平均日交通量随着交通需求的变化而围绕年平均日交通量波动；这种波动与道路的类型（或功能）、季节、节日等因素有关，例如，城市道路的月变化小于公路的月变化，而具有旅游或休闲功能的公路的月变化大于其它功能的公路的月变化；北方地区冬季的月平均日交通量低于夏季；春运期间的月平均日交通量高于其它月份； （2）日变化一周内不同日子的日交通量围绕周平均日交通量波动；由于工作和休闲的不同需求，城市道路在双休日的日交通量要比工作日的小很多，但近郊道路的情况可能正好相反，双休日的日交通量由于居民出游会比工作日的日交通量高出很多； （3）小时变化在一天内各个小时的交通量出现波动；夜晚的小时交通量往往比白昼的交通量小很多；工作日的上下班高峰时段，城市道路的小时交通量要比其它时段大很多，而公路上一般不会出现早高峰时段。,设计交通量,交通量大小是确定道路设施规模（容量）的主要依据之一。道路规划设计时，通常依据运输需求预估年平均日交通量。但如果按年平均日交通量确定道路设施所需的容量，由于交通量的月变化和日变化，年内有很长时间出现交通量超出年平均日交通量的情况，所设计的设施将会有许多时间发生因容量不足而产生的交通拥堵。因而，设计时通常按照小时交通量，特别是年内的高峰小时交通量确定设施的容量。,教材P13页图1-5,把第30位的小时交通量作为设计小时交通量（DHV）；或者，也可以按所设计道路的类型（功能）在第20位和第50位小时交通量的范围内选取合适的小时交通量作为设计小时交通量（DHV）。,式中：DHVt设计年t的设计小时交通量； AADTt设计年t的年平均日交通量； AADT1起始年的年平均日交通量； k设计小时交通量与年平均日交通量或平均日交通量的比值； kD交通量方向分布系数； kL交通量车道分布系数； 交通量年增长率； t设计年限。 设计小时交通量与年平均日交通量或平均日交通量的比值k，随道路的类型（功能）而变化，旅游道路的k值最高，公路其次，郊区道路和城市道路的k值依次递降。此外，k值随年平均日交通量的增加而下降，并随路网密度的增加而降低。主要公路第30位的k值变动于12%18%范围内，平均值一般为5%；城市道路第30位的k值变动于7%18%，平均值约为11%。,设计小时交通量与设计年限的年平均日交通量或平均日交通量之间的关系可通过下式表述：,交通量换算采用小客车为标准车型确定公路等级的各汽车代表车型和车辆折算系数：,交通量的折算,（4）、交通密度与车间距,交通密度是在某一时段内一定路段长度上的车辆数（辆/公里）。它是表征交通流特性的主要参数之一，用以度量交通流的拥挤程度。交通密度低时，车辆行驶很少受到交通流中其它车辆的影响，交通流处于自由流（或稳态流）状态。随着交通密度的增长，车辆行驶越来越多地受到交通流中其它车辆的影响，交通流逐渐变得不稳定，进入强迫流状态。因而，交通密度是判别交通流所处状态和拥挤程度的指标。常用的简便方法是在获得平均交通流量和速度的基础上，利用下述交通流三要素的关系式，通过计算得到：,式中：q交通流量（辆/小时）； v平均行驶速度（公里/小时）； D交通密度（辆/公里）。,交通密度的倒数，即为该路段长度上各车辆之间的平均间距，此间距统一以各车辆的前保险杠（车头）为测量点，称作车头间距。如果各车辆间的平均间距以平均时间差来表示，则可称作车头时距。车头时距是交通流率的倒数,可以得到车头时距与车头间距的转换关系式：,式中：ss平均车头间距，m/辆； st平均车头时距，s/辆； va平均行驶速度，m/s。,车头间距或车头时距表述了车辆在交通流中的纵向分布。在估计交通延误及车辆或行人横向穿越时的可利用间隙，为交通信号系统配时及研究车辆交汇时，都需要应用到车头间距或车头时距的知识。车辆在路上并不会按照相等的车头间距或车头时距行驶，相继车辆间的间距或时距通常都是随机分布的。在某些常见的交通条件下，可采用泊松分布表述。 车头时距为连续两车通过同一点的时间间隔，车头间距为连续两车之间的距离。,（5）、通行能力与服务水平,在高速公路、城市快速路和多车道公路基本路段上行驶的车辆，呈现连续的流动状态，称作不间断流。低交通流量时，交通密度小，行驶速度高。随着交通流量的增加，交通密度提高，而行程速度下降。当交通流量增长到某一数值后，交通流由稳定流状态转向非稳定流状态, 车辆开始停停走走，并进一步发展成强迫流状态，这时，交通密度继续增长，而交通流量和行程速度不断下降。交通流量达最大值的这一点称作通行能力，相应的行程速度和交通密度称作临界速度和临界密度。在理想条件下不间断流的通行能力为：高速公路、城市快速路和多车道公路基本路段2000辆小客车/小时/车道。 从规划设计的角度通行能力分为基本通行能力和设计通行能力两种。每车道的基本通行能力：C=3600/t，t为平均车头时距（ s/辆）。 设计通行能力是满足服务水平时，可以承受的最大车辆数，可以用可能通行能力乘V/C得到。,可能通行能力是指指基本通行能力由于多种因素干扰修正后的特性能力。 V为理想状态下一定服务水平下最大服务交通量。V/C小，服务水平高，V/C大，服务水平低。 道路的服务水平是指用户在使用道路时所感受到的交通流运行状况，它反映了道路的使用质量。理想的服务水平指标最好包含行驶速度、行程时间、交通中断、延误时间、舒适、便利、安全等方面。,（6）、各级公路应能适应的年平均日交通量,高速公路一级公路应按单向单车道的设计小时交通量考虑但为与我国一直沿用的适应交通量指标相衔接本标准仍沿用高速公路的年平均日交通量。,AADT= CD *N/ K* D,AADT 预测年的年平均日交通量 CD 每车道设计通行能力 N 单向车道数 D 方向分布系数根据公路所在位置和功能值范围为50/50,40/60，亦可根据当地的交通量观测资料作适当调整 K 设计小时交通量系数根据公路所在位置地区经济气候特点等确定值范围近郊公路0.085 0.11 公路0.12 0.15 亦可根据当 地交通量观测资料确定。,2、各个阶段的任务,公路工程基本建设程序规定如下： 1根据长远规划或项目建议书，进行可行性研究； 2根据可行性研究，编制计划任务书。 3根据批准的计划任务书，进行现场勘测，编制初步设计文件和概算； 4. 根据批准的初步设计文件，编制施工图和施工图预算； 5列入年度基本建设计划； 6进行施工前的各项准备工作； 7. 编制实施性施工组织设计及开工报告，报上级主管部门核备； 8. 严格执行有关施工的规程和规定，坚持正常施工秩序，做好施工记录，建立技术档案， 9编制竣工图表和工程决算，办理竣工验收。,方案设计；工程预可性研究；工程可性研究： 可行性研究是建设前期工作的重要内容之一，它为建设项目的决策和计划任务书的编制提供重要依据。所有的大中型项目，都应进行可行性研究。可行性研究，应通过现场调查和必要的勘探，对拟建项目所涉及的政治、经济、军事、社会、环境、技术等方面的重大原则问题进行全面研究论证。通过多方案的比选，得出技术、经济可行，效益高，投资少，工期短的方案。可行性研究报告由批准计划任务书的主管单位审查批准。 初步设计：初步设计应根据设计任务书（或测设合同）的要求，拟定修建原则，选定设计方案，计算主要工程数量，提出施工方案的意见，编制设计概算，提供文字说明及图表资料。初步设计文件经审查批准后，则为订购或调拨主要材料、机具、设备，安排重大科研试验项目，联系征用土地，进行施工准备，编制施工图设计文件及控制建设项目投资的依据。 施工图设计：施工图设计应根据批准的初步设计（或技术设计），进一步对所审定的修建原则、设计方案、技术决定加以具体和深化，最终确定各项工程数量，提出文字说明和适应施工需要的图表资料以及施工组织计划，并编制施工图预算。,第二章汽车行驶理论,本章主要内容（共3次）： 一、车辆类型、尺寸、重量和构造（1） 二、汽车的驱动力（1）及行驶阻力（2） 三、汽车的动力特性及加、减速性能（2） 四、汽车的安全稳定性及制动性能（3） 五、车辆运行费（3）,道路运输的载运工具主要为利用燃油（汽油、柴油）、电或其它能源作动力，通过轮胎在各种道路上行驶的车辆，如汽车（客车和货车等）、无轨电车、各种装卸载运车辆、摩托车等。道路运输工程设施的规划和设计，要考虑并满足这些设施的使用对象载运工具的运行特性要求。例如，工程设施的几何设计要能容纳车辆在体积尺寸和通行能力方面的使用要求，而工程设施的结构设计则要能经受住车辆质量的重复作用等。因此，道路工程的规划和设计人员，虽然不需要了解和掌握运载工具的设计、制造和使用知识，但必须了解它们的运行特性，以便规划和设计出能满足其使用要求的各项工程设施。本章首先介绍车辆（主要是汽车）的类型、尺寸和质量方面的知识，而后进一步介绍同工程设施规划和设计有关的一些运行特性，如行驶阻力、功率、加速和减速性能以及车辆运行费。,一 、车辆类型、尺寸、重量和构造,1 车辆类型,汽车可分为客车和货车两大类。客车包括小客车（轿车）、面包车、公共汽车（小型、中型和铰接式）等。货车可进一步分为卡车（轻型、中型和重型）和组合式货车（各种拖挂式货车）两类。,（1） 小客车 小客车为二轴-四轮车辆，可坐26人，主要作为个人交通工具。按重量和尺寸大小，可分为小型、中型和重型三种。其重量变动于6.818kN 范围内；车身长度在3.55.6m之间，前后轴的中心距变动于2.33.1m之间，车身后缘到后轴的长度（后悬距离）为0.61.5m之间；车身宽度为1.62.0m，高度为1.151.65m之间。 （2） 面包车 面包车通常由小客车或轻型卡车的底盘改装而成，可乘坐615人。 （3） 公共汽车 小型公共汽车通常有1525个座位，供短途运输用，其车身长约为5.57.6m，宽为2.02.5m。中型公共汽车可为二轴或三轴，车身长912m，宽2.42.6m，约有45个座位。把半挂车固定地联结在二轴中型公共汽车上，便组成铰接式公共汽车。其长度约为1618m，宽度为2.6m，包括站立乘客在内约可容纳100人以上。,（4）卡车 卡车系指载货区和动力设备装在共同的车架上不能分开的货车（图2-1(a)）。卡车包括二轴四轮（轻型卡车）、二轴六轮、三轴（双后轴）和四轴（三后轴）卡车四种。轻型卡车的总重量般小于45kN，二轴六轮卡车的总重量大都在45180kN范围内，而三轴和四轴卡车的总重量可高达260300kN。 （5） 组合式货车 组合式货车由牵引车或卡车同一个或多个挂车组合而成，可总称为拖挂车。牵引车和挂车通过铰接方式联结时，彼此可相对转动，因而也可称为铰接车。组合式货车的总重量一般可达到400500 kN，通常用于长途运输。挂车有两种：后端有一个轴或多个轴但前端无轴的半挂式，其前端放在牵引车的后端上，并把一部分重量传给前面牵引车；前后各有一个轴或多个轴的全挂式，由卡车或带半挂车的牵引车拖带，但不把重量转给前面。,2 车辆尺寸及设计车辆,前面已讲过。,3 车辆的重量,车辆的重量通过车轴和车轮传递给道路和桥梁结构物。汽车前轴的轴型都为单轴，后轴的轴型可采用单轴、双联轴或三联轴。前轴两侧的车轮都由单轮胎组成，而后轴两侧的轮胎可由单轮胎或双轮胎组成。 车辆重量大小，主要影响到对道路和桥梁的结构承载能力的要求。重量特性主要由车辆总重和轴重以及轴型和轮型表征。车辆总重或轴重越大，对道路和桥梁结构承载能力的要求越高，同时，在使用过程中对道路和桥梁的损坏越严重，因而，所建工程的造价（投资）和工程的运营（维护）费用便越高。为了兼顾道路建设和运营部门及道路使用者双方的利益和便利，对道路上行驶车辆的总重和轴重的最高值进行定量限制。,各国对道路上行驶车辆的最大轴重和总重有不同的限定。单轴最大允许轴重变动于80130kN；双联轴最大允许轴重变动于140210kN；三联轴最大允许轴重变动于180270 kN。卡车的最大允许总重变动于240400kN；半挂式和全挂式货车的最大允许总重变动于360500kN。我国公路部门规定的单轴最大允许轴重为60kN（每侧单轮胎）或100kN（每侧双轮胎），双联轴最大允许轴重为100kN （每侧单轮胎）或180kN（每侧双轮胎），三联轴最大允许轴重为120kN（每侧单轮胎）或220kN（每侧双轮胎）；卡车和单拖挂货车的最大允许总重为400kN，双拖挂或三拖挂货车的最大允许总重为460kN。 我国公路标准规定路面设计标准轴载为双轮组单轴100KN。 具体内容应在路基路面课程中讲述。,4 汽车的构造,/web/jiaoxue/,传动系、行驶系、转向系、制动系,发动机、离合器、变速箱、万向传动轴、差速器、车辆、驱动轮、制动器等。,机械式传动系一般组成及布置示意图,传动系,1-离合器 2-变速器 3-万向节 4-驱动桥 5-差速器 6-半轴 7-主减速器 8-传动轴,图为传统的发动机纵向安装在汽车前部，后桥驱动的42汽车布置示意图。发动机发出的动力经离合器、变速器、万向传动装置传到驱动桥。在驱动桥处，动力经过主减速器、差速器和半轴传给驱动车轮。,1-发动机 2-离合器 3-变速器 4-变速器输入轴 5-变速器输出轴 6-差速器 7-车速表驱动齿轮 8-主减速器从动齿轮 发动机前置、纵置，前桥驱动，使得变速器和主减速器连在一起，省掉了它们之间的万向传动装置。,传动系：发动机,外特性曲线 燃料热能活塞、曲轴机械能作功,传动系：离合器：作用： （1）保证起步时工作平稳。（2）行进中换挡。 （3）传动系不至于过载。,传动系：变速箱：作用：减速增扭,1-输入轴 2-轴承 3-接合齿圈 4-同步环 5-输出轴 6-中间轴 7-接合套 8-中间轴常啮合齿轮 此变速器有五个前进档和一个倒档，由壳体、第一轴（输入轴）、中间轴、第二轴（输出轴）、倒档轴、各轴上齿轮、操纵机构等几部分组成。,传动系：万向传动：作用：柔和接触、传动,1-万向节 2-传动轴 3-前传动轴 4-中间支承,传动系：主传动器、减速器：作用：减速、增扭，动力转90方向。,1-轴承；2-左外壳；3-垫片；4-半轴齿轮；5-垫圈；6-行星齿轮； 7-从动齿轮；8-右外壳；9-十字轴；10-螺栓,二、汽车的驱动力及行驶阻力,1、汽车的驱动力,燃料热能活塞机械能产生有效功率N 曲轴 产生每分钟n的转速旋转 产生发动机曲轴扭矩M 离合器变速器传动轴主传动器差速器等驱动轮 产生驱动轮扭矩MK,功率(N)，发动机功率,单位千瓦(Kw)/马力（hp）, 1hp = 0.7457 kW. 扭矩(M),表征汽车牵引力的大小,单位牛顿.米/千克.米,1千克.米=9.8牛顿.米 燃油消耗(ge),发动机每小时产生每千瓦功率消耗的燃油量，单位（克/千瓦/小时） 转速(n)，单位 转/分钟,有一个简单的公式可以表明功率、牵引力和速度的关系： 功率 （N)(牵引力)扭矩(M)速度(V),上述四种关系曲线，构成了发动机转速特性曲线（发动机转速特性曲线），油门全开时称发动机外特性曲线，否则称发动机部分负荷特性曲线。,（1）发动机外特性曲线,功率曲线,扭矩曲线,最小转速,最大转速,汽油发动机外特性,（2）驱动轮扭矩,（3）汽车的牵引力（T）,功率 （N)(牵引力)扭矩(M)速度(V),Mk用力偶T和Ta表示，Ta平衡路面反作用力F，T平衡汽车阻力R,有关计算的汇总：,(1)M和N的关系（公式2-1）,(2)r和V的关系（公式2-5）,(3)T和V的关系（公式2-6,2-7）,汽车驱动力图,2、汽车的行驶阻力,汽车在道路上行驶时须克服各种阻力，如滚动阻力、空气阻力、坡度阻力、弯道阻力和惯性阻力等。这些阻力一方面与道路的特性有关，如路面平整程度、坡度、弯道曲率半径等，另一方面则随车辆的运行特性而变，如车辆总重、行驶速度、速度变化速率、车身迎风面积和外廓线形等。,（1）空气阻力(Rw),汽车行驶时的空气阻力包括车辆迎风面处的空气直接作用、空气越过车辆表面（包括车底）的摩阻力以及车后的局部真空。,（3）坡度阻力(Ri),汽车在坡道上行驶时，车辆受到其重量平行于坡面的分力的作用。,（2）滚动阻力(Rf),汽车在道路上行驶时的滚动阻力来源于轮胎表面于路面之间的摩阻滑移，轮胎橡胶在接触表面处的弯曲变形，车轮滚过路表面突出的石子或不平整的破碎路面，车辆从道路的低洼处爬出，推动车轮通过砂、雪或泥地，在轮、轴和组合器轴承处以及变速齿轮中的内部摩阻等。,以上均与道路状况有关，且与总重力成正比，表示为道路阻力：,（5）惯性阻力(RI),汽车行驶速度变化（加速或减速）时，车辆受到运动惯性阻力的作用。此惯性阻力是车辆重量及加速或减速速率的函数。,式中，Rm为车辆总行驶阻力，kg。在车辆下坡或减速行驶时，式中的坡度阻力或惯性阻力为负值。 由上述各项阻力的关系式可以看出，除空气阻力外，其它各项阻力均与车辆的总质量成正比；而除了坡度阻力和惯性阻力外，其它各项阻力还与车辆的行驶速度或速度平方成正比。因此，车辆总质量和行驶速度是影响行驶阻力大小的两项最主要的因素。,综合上述各项阻力，车辆在路上的总行驶阻力为：,T=R,匀速；TR,加速；TR,减速,考虑到部分开启，使用负荷率U修正，并带入有：,3、汽车的平衡方程式和行驶条件,（1）平衡方程式,驱动轮荷载； 附着力系数,（2）行驶条件,条件一：驱动力大于等于总阻力,条件二：驱动力小于等于附着力,三 、汽车动力性能及加、减速行驶,汽车的动力性能系指汽车所具有的加速、上坡、最大速度等的性能，动力性能越好，速度就越高，所能克服的阻力就大。这里为纵断面设计提供依据。,1、汽车的动力特性图,2、汽车的行驶状态,汽车的动力因数D，它表示某型汽车在海平面上，满载情况下，没单位车重克服道路阻力和惯性阻力的性能。,稳定行驶状态,不稳定行驶状态,某档动力特性图,3、汽车的爬坡能力,4、汽车的加减速行程,四、汽车的行驶稳定性和制动性能,1、汽车的纵向稳定性,条件：匀速、惯性阻力为0，低速，忽略空气阻力和滚动阻力,倾覆：,滑移：,稳定性保证：,发生纵向倾覆前，先发生滑移。原因是：,附着系数,纵坡,2、汽车的横向稳定性（曲线上）,原因：离心力的原因，部分靠超高产生的重力分量抵消，其余靠横向摩擦力抵消。,倾覆：,滑移：,横向力系数：,超高的概念（横向坡度）,稳定性保证：,发生横向倾覆前，先发生滑移。原因：,横向力系数,附着系数,横向附着系数,3、汽车的纵横组合稳定性,上坡速度降低，耗费增加，而下坡存在合成坡度，比较危险。,4、制动性能,制动性能使用制动距离来评价：,路面与轮胎之间的附着系数,道路阻力系数 f+i,要制动就施加制动力P：方向与前进方向相反，略去风阻力。,制动到停止：,制动距离：,五 、汽车燃安油经济性,燃油消耗虽然同汽车发动机的效率密切相关，但很大程度上也受到道路和交通状况的影响。燃油消耗随行驶速度而变化，呈两端高中间低的规律，即低速和高速行驶时油耗大，中速行驶时油耗相对较低。随着路段纵坡的增大，由于需消耗部分功率以克服坡度阻力，燃油消耗迅速增加。而在弯道上行驶时，由于需克服弯道阻力，燃油消耗相应增大，转弯角度越大，油耗增加得越多，并且，行驶速度越高，油耗的增长率越大。此外，随着路面不平整程度的增加，由于滚动阻力的增加，燃油消耗增大。综合上述因素的影响，汽车的燃油消耗量可采用下述一般关系式表示：,作业：P34,2-1，2-3，2-4,道路是一条三维空间的带状构造物，几何尺寸描述了道路的空间形态，人们习惯把路线在水平面上的投影称作路线的平面，其是中间位置的一条线一般成为道路的中线，沿中线竖直剖切再行展开则是路线的纵断面，中线上任意一点的法向切面是道路在该点的横断面。路线几何设计是指确定路线空间位置的工作，一般把它分解为路线平面设计、路线纵断面设计和横断面设计，这三者是相互关联的，既要分别进行，又综合考虑，特别是现代道路许多新的技术要求更是需要进行三维的协调设计。,一、汽车的行驶轨迹,不打方向盘a=0、等角速度W打方向盘a= 常数、打方向盘的角速度均匀变化a=变数。,导向轮旋转面与纵轴之间夹角a,二、路线平面基本线形,直线：曲率K=0、圆曲线：曲率K=常数、缓和曲线：曲率K=变数； 曲率K为半径R的倒数。 直线、圆曲线和缓和曲线三种组合而成，“平面线形三要素”。,基本型曲线,S型曲线,复曲线,回头曲线,卵型曲线,凸型曲线,C型曲线,三、直线,直线适用于地形平坦、视线目标无障碍处。在平原区，直线作为主要线形要素是适宜的。直线有测设简单、前进方向明确、路线短捷等优点，直线路段能提供较好的超车条件，对双车道公路有必要在间隔适当距离处设置一定长度的直线，在美学上直线也有其特点。但直线过长、景色单调，往往会出现过高的车速或司机由于缺乏警觉易疲劳而发生事故，并且在地形变化复杂地段，工程费用高。,1、概述,直线的优点 .里程最短 .定线、设计、量距、绘图、计算、放样方便。 .无视距障碍 .驾驶方便 .车辆不受离心力作用乘车舒适 直线的缺点 .对地形适应性差 .行车单调易产生疲劳,2、描述直线的指标,最大直线长度：目前最大直线长度的量化还是一个需要研究的课题，目前各国有不同的处理方法，德国和日本规定20V(单位为米，V为计算行车速度，用公里/小时为单位)，美国为180s的行程，我国对于设计速度大于或等于60km/h的公路最大直线长度为以汽车按设计速度行驶70s 左右的距离控制，一般直线路段的最 大长度(以m 计)应控制在设计速度(以km/h 计)的20 倍为宜。,同向曲线间最小长度：若在同向曲线间插入短直线容易产生把直线和两端的曲线看成为反向曲线的错觉,当直线过短时甚至可能把两个曲线看成一个曲线，容易造成司机的判断错误。对于设计速度大于或等于60km/h的公路，同向曲线之间直线的最小长