冰雪条件城市道路纵坡坡度设计指标

冰雪条件城市道路纵坡坡度设计指标 摘要：为给多冰雪地区的城市道路线性设计提供参考，建立冰雪条件下车辆最大爬坡能力模型，从而计算冰雪条件下城市道路纵坡最大坡度建议值。本文根据车辆行驶理论，考虑车辆牵引力受冰雪路面摩擦条件的限制，建立冰雪条件下坡度计算模型，并对模型进行应用，计算质量/功率比不同代表车型在不同冰雪路面的最大爬坡度。关键词：冰雪条件；城市道路；纵坡坡度；设计指标Design index for degree of longitudinal slope of urban road under ice and snowfall conditionsAbstract: To provide the reference for linearity design of the urban road of the multi-ice and snow area, the maximum climbing ability model of vehicle was established under ice and snowfall conditions, thus most steep bank recommendation value of lengthwise grade may be computed. According to traffic theory and the fact that the vehicle traction is restricted by the road friction conditions of ice and snow surface, the maximum climbing ability model of vehicle under snow and ice conditions was established, and it was used to calculate the mass / power ratio which expressing the maximum climbing ability for different type of vehicle and different road surface. Keywords: ice and snowfall conditions; urban road; degree of longitudinal slope; design index引言冬季受降雪、积雪、结冰的影响，北方大部分地区的交通系统受灾严重1，严重时甚至阻断交通，导致交通事故发生。降雪已成为交通管理与养护中存在的普遍问题2。而冰雪路面是一种特殊的地面条件，由于其复杂的力学特性经常制约汽车的行驶状态而使其使用性能很难得以充分发挥，有时甚至失去行驶能力或导致恶性交通事故的产生，所以有必要研究冰雪条件下城市路网中的纵坡路段的设计指标，并提出相应的设计指标建议值，为多冰雪地区的城市道路线形设计提供参考。纵坡坡度是道路纵断面的关键参数之一，合理的纵坡坡度对减少交通事故、提高通行能力、减少投资有较大的影响。本文根据车辆行驶理论，考虑车辆牵引力受冰雪路面摩擦条件的限制，建立冰雪条件下车辆最大爬坡能力模型，计算不同质量/功率比3的微型车、小型汽车、大型车代表车型在不同冰雪路面的最大爬坡度，确定了冰雪条件下城市道路设计速度在1060km/h的纵坡坡度指标，为多冰雪城市的地面道路纵坡设计提供参考。 1 最大纵坡设计依据1)设计车型及动力特性；我国道路设计采用的设计车型是东风EQ140，而国际上一般采用质量功率比(W/P=120kg/kW)作为研究爬坡性能的标准；2)平衡速度；小型车的平衡速度大致以平均速度行驶，大型车(载重车)的平衡速度约为道路设计车速的50%，这样以防止汽车上坡时大、小型车车速相差太大，因而相互干扰也将最小；3)设计车速；道路的设计车速越快，道路等级越高，行车交通量越大，这就要求纵断面的坡度越平缓；4)自然条件；道路所经地区的地形起伏，海拔高度、气温、雨量等自然因素均影响汽车的行驶条件和爬坡能力，如长期冰冻地区，道路附着系数将为0.1左右，严重影响汽车的爬坡能力。日本规定爬坡的设计车型和平衡速度，按动力特征图来计算确定最大纵坡。我国主要是采用调查的方法确定最大纵坡，通过对汽车在坡道上行驶的情况进行了大量调查、试验，并广泛征求了各方面意见，尤其是驾驶员的意见，同时考虑拖挂车的通行情况，结合交通组成、汽车性能、工程费用和运营情况，经综合分析最后确定最大纵坡4。城市道路设计规范 CJJ37-90第5.2.2条关于机动车车行道最大纵坡的推荐值与限制值如表1所示：表1 城市道路机动车车行道最大纵坡设计速度(km/h)806050403020最大纵坡坡度推荐值(%)455.5678最大纵坡坡度限制值(%)6789注：1.海拔3000-4000m的高原城市道路的最大纵坡推荐值按表列数值减小1%；2.积雪寒冷地区最大纵坡推荐值不得超过6%。2 坡度计算模型建立在冰雪条件下影响通达性的是道路的坡度，坡度的大小决定了车辆能否爬上该纵坡。根据车辆行驶理论的知识，由于车辆牵引力受冰雪路面摩擦条件的限制，使其爬坡能力也受到不同程度的影响56。当车辆在冰雪路面上行驶时，牵引力受摩擦条件的限制而不能达到最大值，即，此牵引力称为摩擦牵引力。如果车辆的行驶速度和车辆总重仍保持不变，则摩擦牵引条件下车辆的动力因数可能达到的最大值为 (1)式中 Dmax摩擦牵引条件下车辆的动力因数；道路摩擦系数，取冰雪条件下摩擦系数为=0.2，0.1； Z车辆对地面的正压力； Fw车辆的牵引力； Ga车辆总重。由于，则。可见，车辆在冰雪路面上行驶时，其牵引潜力不能得到充分发挥。此时，车辆的最大爬坡能力应由来决定。由于道路的纵坡角度很小，可视，为驱动轮配重。载重车约为0.660.76G，小汽车约为0.570.65G。为附着系数。由此可将式(1)变为： (2)由式(2)可先计算出各类车辆在冰雪路面上以不同速度行驶时的最大动力因数值，也就是摩擦牵引条件下的最大动力因数值。汽车本身具备的爬坡能力比实际行驶中遇到的道路最大坡度大很多，但是在多冰雪地区汽车的最大爬坡能力主要取决于地面与车轮之间的最大摩擦力。若牵引力始终小于或等于轮胎与路面之间的附着力，则汽车轮胎不会发生空转现象。保证汽车正常行驶而车轮不空转和不打滑的充分条件是。若汽车上坡以匀速稳定行驶，dv/dt=0，且不考虑海拔系数，则可决定不同排档一定车速下汽车能克服的坡度大小。正常天气下，汽车能克服的坡度大小为；冰雪路面滚动阻力系数f=0.015时，所克服的坡度值为。所以，冰雪条件下车辆最大爬坡能力模型为： (3)3 坡度计算模型应用本论文考虑多冰雪城市交通组成的客、货运主流车型，确定用于纵坡设计的主导车型，选取松花江作为微型车的代表车型，桑塔纳2000GSI为小型汽车的代表车型，黄河牌JN150型柴油载重汽车(8T) 作为大型车的代表车型，计算各种车型在不同冰雪路面的最大爬坡度7，参数见表2：根据汽车的发动机的性能，可以将动力因数转换为速度V的二次函数 (4)其中，P、Q、W为汽车的性能参数。 (5) (6) (7)式中U负荷率，这里取90%；Mmax发动机最大扭矩；MN最大功率下的扭矩；nM.最大扭矩对应的转速；nN最大功率对应的转速；总变速比，。由上述式子可得各车型在不同档位下的动力特征参数，计算结果见表35。表2 各代表车型的参数8参数松花江桑塔纳黄河载重车最大功率()/kw25.774119最大扭矩()/N*m52.5155686最大功率对应的转速()/r/min550052001800最大扭矩对应的转速()/r/min350038001250满载总重(G) /kg141080015060满载驱动轴荷分配(G驱)/ kg80450410160质量功率比(kg/kw)5511125空气阻力系数K(N/m3)0.20.250.7迎风面积A(m2)1.62.25轮胎半径(r)/ m0.360.360.5主传动器减速比率(i0)5.1254.4444.88变速箱变速比(ik)3.4293.4557.642.1091.9444.271.3791.2862.610.9691.590.8l.00车辆惯性系数()1.741.753.361.31.261.761.141.131.31.091.091.131.071.07机械效率(T)0.85表3 黄河牌载重汽车(8T)不同档位下的P、Q、W计算值档位PQWVkDvkVmaxDvmaxI档-0.003260.0.6.60.9.10.II档-0.000570.0.11.70.16.30.III档-0.000130.0.19.10.26.70.IV档-3.1E-050.0.30.20.43.70.V档-8.6E-060.0.42.50.69.50.表4 桑塔纳不同档位下的P、Q、W计算值档位PQWVkDvkVmaxDvmaxI档-0.0.0.33.40.6284946.00.II档-9.3910E-050.0.57.60.81.70.III档-2.9496E-050.0.80.30.123.50.IV档-1.4479E-050.0.92.90.163.90.V档-9.5688E-060.0.95.80.198.50.表5 松花江不同档位下的P、Q、W计算值档位PQWVkDvkVmaxDvmaxI档-8.8555E-050.0.26.7 0.1382740.2 0.II档-2.1427E-050.0.41.7 0.0835565.3 0.III档-6.763E-060.0.56.5 0.0518499.9 0.IV档-3.2428E-060.0.62.0 0.137.7 0.图1 黄河牌载重汽车动力因数-速度曲线图2 桑塔纳小型车动力因数-速度曲线图3 松花江微型车动力因数-速度曲线综上，根据不同车型的动力因数-速度曲线，如图13，利用冰雪条件下汽车最大爬坡能力模型得到各种车型在不同车速、不同附着系数条件下的纵坡最大坡度，并给出冰雪条件下附着系数为0.1(即结冰路面)时的纵坡最大坡度作为建议值，如表6：当设计车速低于20km/h时，规范推荐的最大纵坡为8%，冰雪地区最大纵坡推荐值不超过6%，由表6可知，当纵坡路面状态为雪板、雪浆时，本论文的计算值比规范推荐值大，当纵坡路面状态为结冰路面时，规范推荐值超出了三种车型的最大爬坡度，本文建议采用4%作为该速度区间冰雪地区道路纵坡最大限制值。当设计速度在3040km/h时，由于大型车的最大爬坡度受车辆本身的动力因数影响下降较大，而微型车、小型车在雪板路面、雪浆路面的最大爬坡度均能保持在规范推荐值之上，考虑到大型车的最大爬坡度，本文建议采用3.5%作为该速度区间冰雪地区纵坡最大限制值。当设计速度在5060km/h时，大型车的最大爬坡能力下降到1.5%左右，而规范推荐的最大坡度值为5.5%，考虑到大型车可以降低车速来提高爬坡能力，因此本文只考虑微型车和小型车的爬坡能力来限制最大纵坡，由表6可知当纵坡路面状态为雪板、雪浆时，本论文的计算值比规范推荐值大，当纵坡路面状态为结冰路面时，规范推荐值超出了微型车和小型车的最大爬坡度，本文建议采用3.5%、3%作为该速度区间冰雪地区道路纵坡最大限制值。表6 冰雪条件下城市道路纵坡最大坡度建议值(%)设计车速(km/h)最大纵坡计算值(%)最大纵坡建议值规范最大纵坡推荐值微型车小型车大型车雪板雪浆结冰雪板雪浆结冰雪板雪浆结冰109.99.94.217.311.04.712.812.05.24.062011.99.84.117.210.94.67.37.35.24.063012.29.74.016.910.64.33.83.83.83.564010.89.63.916.510.23.93.43.43.43.56506.76.73.816.19.83.51.61.61.63.55.5606.16.13.615.59.22.91.41.41.43.054 结论研究结论表明，在冰雪条件下城市道路纵坡的最大坡度建议值，随着设计车速的增加，而成非线性地减小，但具体最大坡度建议值的大小要根据不同的道路条件和摩擦牵引条件下车辆的动力因数等条件的实测做更为可靠地计算。本文根据建立的冰雪条件下车辆最大爬坡能力模型，计算不同质量/功率比的代表车型在不同冰雪路面的最大爬坡度，确定了冰雪条件下城市道路设计速度在1060km/h的纵坡坡度指标，为多冰雪城市的地面道路纵坡设计提供参考依据。参考文献1. 蒋军, 代舒. 冰雪灾害对道路运输的影响及对策探讨J.道路交通与安全.2008, 8(4): 24-28.2. 任园园. 冰雪条件下城市道路交通流特性及管理对策研究D. 吉林大学硕士学位论文. 2008,6: 10-21.3. 周荣贵, 孙家凤, 吴万阳, 王书灵. 高速公路纵坡坡度与运行速度的关系J.公路交通科技. 2003,8(4): 34-37.4. 周荣贵, 江立生, 孙家风. 公路纵坡坡度和坡长限制指标的确定J. 公路交通科技. 2004,(6):42-46. 5. 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