第三章纵断面设计.ppt

第三章纵断面设计,3.1纵坡设计,3.2竖曲线,3.3爬坡车道,3.4平纵线形组合设计,3.5纵断面线形设计,本章主要介绍纵坡设计和竖曲线设计的基本方法。学习平、纵线形组合的基本思路，掌握纵断面设计图的绘制方法。,纵断面设计,定义,任务,沿着道路中线竖直剖切后展开的剖面即为道路纵断面。,根据汽车的动力特性、道路等级、当地的自然地理条件以及工程经济特性等，研究起伏空间线几何构成的大小及长度，以便达到行车安全迅速、运输经济合理及乘客舒适的目的。,3.1纵坡设计,两条线一条是现状地面线，它是根据道路中线上各桩点的高程而点绘的一条不规则的折线，反映了沿着道路中线地面的起伏变化情况；一条是设计地面线，它是经过技术上、经济上及美学上等多方面比较后定出的一条有规则形状的几何线，反映了道路路线的起伏变化情况。,直线,线形组成,竖曲线,凸曲线,凹曲线,道路纵坡,设计标高：即路基设计标高，规范规定如下：新建公路高速公路和一级公路采用中央分隔带的外侧边缘标高；二、三、四级公路采用路基边缘标高，在设置超高、加宽地段为设超高、加宽前该处边缘标高。改建公路一般按新建公路的规定办理，也可视具体情况而采用行车道中线处的标高。城市道路建成后行车道中线路面标高或中央分隔带中线的标高。,(2)设计标高：纵断面设计线上的标高,（1）地面高程：中线上地面点高程。,（3）路基高度：横断面上设计高程与地面高程之高差。,3.1纵坡设计,最大纵坡,坡度折减,平均纵坡,最小纵坡,合成纵坡,坡长限制,缓和坡段,纵坡设计的一般要求,。必须满足标准规定,。纵坡应该尽量平顺起伏不易过大,。考虑沿线地形地质、水文等,。纵坡设计应考虑填挖平衡,。平原区应满足最小填土高度要求,。桥梁隧道交叉口前后纵坡应较缓,最大纵坡,各级道路的最大纵坡一般是根据以下因素确定的：汽车的动力特性：按照道路上行驶的车辆的类型及其动力特性来确定汽车在规定的速度下的爬坡能力；道路等级：道路等级越高，交通密度越大，行车速度越高，要求纵坡设计越平缓；对于等级较低的道路，可以采用较大的纵坡；自然因素：在纵坡设计时，应充分考虑所在地区的地形起伏情况、海拔高度、气候条件等对汽车行驶的影响，如阴湿多雨地区、长期冰冻地区，均应避免过大的纵坡。,在进行纵坡设计时各级道路允许采用的最大纵坡值,最大纵坡,公路最大纵坡,城市道路机动车道最大纵坡,.城市道路的最大纵坡减小1%。.高速公路受地形条件或其它特殊情况限制时，最大纵坡可增加1%.位于海拔2000m以上或严寒冰冻地区，四级公路山岭、重丘区的最大纵坡不应大于8%。.对桥上及桥头路线的最大纵坡：大、中桥上纵坡不宜大于4%，桥头引道纵坡不宜大于5%；紧接大、中桥桥头两端的引道纵坡应与桥上纵坡相同。,最大纵坡的运用,。城市道路的最大纵坡,。高速公路或其它特殊情况,。隧道部分路线纵坡,。海拔2000m以上冰冻地区,。桥上及桥头路线纵坡,。非机动车交通比例较大路段,.隧道部分路线纵坡：隧道内纵坡不应大于3%，但独立明洞和短于50m的隧道其纵坡不受此限制；紧接隧道洞口的路线纵坡应与隧道内纵坡相同。.在非机动车交通比例较大路段，为照顾其交通要求可跟据具体情况将纵坡适当放缓：平原、微丘区一般不大于2%3%；山岭、重丘区一般不大于4%5%。,坡度折减,高原坡度折减在高原地区因空气稀薄而使汽车的功率和驱动力降低，从而导致汽车的爬坡能力下降；高原地区由于汽车水箱中的水易于沸腾而导致汽车的冷却系统破坏。因此，在高原地区对道路最大纵坡度相应折减：,高原纵坡折减值,平均纵坡,平均纵坡指在一定的长度范围内，路线在纵向所克服的高差与水平距离之比，是衡量纵断面线形好坏的重要指标之一。标准规定：二、三、四级公路越岭路线的平均纵坡，一般以接近5.5和5为宜，并注意任何相连3KM的路段的平均纵坡不宜大于5.5；城市道路的平均纵坡按上述规定减少1.0；对于海拔3000米以上的高原地区，平均纵坡应较规定值减少0.51.0。,最小纵坡,合成纵坡,合成纵坡指在设有超高的平曲线上，路线的纵坡和弯道超高所组成的坡度。,I合成坡度（%）；i路线设计纵坡坡度（%）；ih超高横坡度或路拱横坡度（）。,各级公路允许的合成纵坡度,合成纵坡,坡长限制,最小坡长限制从汽车行驶的平顺性考虑，若坡长过短，使变坡点增多，汽车行驶在连续起伏地段产生的增重与减重变化频繁，导致乘客感觉不舒服，车速越高越强烈；从美观角度来说，两相邻竖曲线也不宜过短。,公路最小坡长,城市道路最短坡长,坡长限制,坡长限制,最大坡长限制控制汽车在坡道上行驶,当车速下降到最低允许速度时所行驶的距离.道路纵坡的大小对汽车的正常行驶影响很大。纵坡越陡，坡长越长，对行车的影响越大。,城市道路最大纵坡长度限制,缓和坡段,缓和坡段当纵坡的设计达到限制坡长时，应设置一段缓坡，用以恢复在陡坡上降低的速度。一般缓和坡段的坡度应不大于3，长度不小于100米；缓和坡段应设置在直线或较大半径的平曲线上，最大限度地发挥缓和坡段的作用；当有必要在较小的平曲线上设置缓和坡段时，应适当增加缓和坡段的长度，使缓和坡段端部位于平曲线之外。,纵断面图,3.2竖曲线,竖曲线纵断面上两个坡段的转折处，为了便于行车，用一段曲线来缓和，称为竖曲线。,竖曲线分凹形和凸形两种,形式抛物线和圆曲线两种。纵断面只计水平距离和竖直高度，斜线不计角度而计坡度；竖曲线的切线长与曲线长以其在水平面上的投影长度计，切线支距是竖直高程差，相邻两坡度线的交角用坡度差表示。,3.2竖曲线,竖曲线要素的计算公式,取XOY坐标系如图4-2所示，设变坡点相临两纵坡坡度分别为i1和i2，它们的代数差用表示，即，当为“+”时，表示凹形竖曲线；为“-”时，凸形竖曲线。,R竖曲线半径（m）;T切线长（m）；L竖曲线长度（m）；E支距（m）；h任意点竖距（m）；坡度差（）;x计算点桩号与竖曲线起点的桩号差。,1.竖曲线几何要素,（1）计算切线高程（2）计算设计高程,2.竖曲线上任意点设计高程的计算,H0变坡点标高（m）;H1计算点切线高程（m）；h任意点竖距（m）；i纵坡度（）;H设计标高（m）。,3.竖曲线最小半径,凹形竖曲线极限最小半径,凸形竖曲线极限最小半径,汽车在凸形竖曲线上行驶时，如果半径太小，会阻挡司机的视线，为了行车安全，对凸形竖曲线的最小半径和最小长度应加以限制；当汽车行驶在凹形竖曲线上时，若半径过小，前灯照射距离近，影响行车速度和安全；在跨线桥处，如果桥正好处于凹形竖曲线的上方，也会影响驾驶员视线。,缓和冲击汽车在竖曲线上行驶时，其离心加速度为,1.竖曲线半径限制因素,竖曲线最小半径考虑了三方面的要求,缓和冲击,时间行程不过短,满足视距的要求,将v(m/s)化成V(km/h)并整理，得,根据实验，a限制在0.5m/s20.7m/s2比较合适。但考虑到因冲击而造成的不舒适感，以及视觉平顺等的要求，我国标准规定的凹形竖曲线最小半径值相当于a=0.278m/s2。,二、竖曲线的最小半径,1.竖曲线半径限制因素,竖曲线最小半径考虑了三方面的要求,缓和冲击,时间行程不过短,满足视距的要求,时间行程不过短汽车从直线坡道行驶到竖曲线上，尽管竖曲线半径较大，如其长过短，汽车倏然而过旅客会感到不舒适。因此，应限制汽车在竖曲线上的行程时间不过短。最短应满足3s行程，即,二、竖曲线的最小半径,1.竖曲线半径限制因素,竖曲线最小半径考虑了三方面的要求,缓和冲击,时间行程不过短,满足视距的要求,满足视距的要求汽车行驶在凸形竖曲线上，如果半径太小，会阻挡司机的视线。为了行车安全对凸形竖曲线的最小半径或最小长度应加以限制。,1.凸形竖曲线最小半径和最小长度凸形竖曲线最小长度应以满足视距要求为主，分为两种情况。,当LST如图4-3所示,当LST如图4-4所示,视距长度,2.凸形竖曲线最小半径和最小长度凸形竖曲线最小长度应以满足视距要求为主，分为两种情况。,当LST如图4-3所示,当LST如图4-4所示,2.视距要求SL时，SL时，比较两式取大值。,凸形竖曲线极限最小半径,2.凹形竖曲线极限最小半径,限制凹形竖曲线设计的因素1.汽车行驶的缓和冲击；2.满足视距要求。,1.汽车行驶的缓和冲击汽车在竖曲线上行驶的离心加速度：标准规定的凹形竖曲线最小半径值相当于a=0.278M/S,2.满足视距要求汽车在竖曲线上行驶时，若照射距离小于要求的视距长度，则无法保证行车安全。设汽车前灯高度为h，车灯照射角为，（见图3-16）由竖曲线计算公式得：,将s、h、取值带入上式，得,又,根据缓和冲击、视距要求的限制因素，可以计算出各计算行车速度时的最小半径和最小长度，设计中一般控制其最主要的控制因素；标准规定的一般最小半径约为极限最小半径的1.52.0倍，在条件许可时应尽量采用大于一般最小半径的竖曲线为宜。,限制凹形竖曲线设计的因素1.汽车行驶的缓和冲击；2.满足视距要求。,4.竖曲线设计,竖曲线设计的一般要求1.宜选用较大的竖曲线半径。通常采用大于竖曲线一般最小半径的半径值，特别是当坡度差较小时，更应该采用大半径，以利于视觉和路容美观。在有条件的路段，为获得平顺连续且视觉良好的纵断面线形，可参照下表选取竖曲线半径;,竖曲线设计的一般要求2.同向竖曲线应避免“断背曲线”。3.反向曲线间，一般由直坡段连接，也可径相连接。反向曲线间最好设置一段直坡段，直坡段长度应能保证汽车以设计车速行驶3s的行程时间。4.竖曲线设置应满足排水要求。,4.竖曲线设计,3.3爬坡车道,爬坡车道在陡坡路段主线外侧增设的供载重汽车使用的专用车道。是否设置爬坡车道应综合考虑各种因素，选择最佳方案：一方面，最理想的是路线纵断面应按不需设置爬坡车道来设计纵坡，但这样会造成路线迂回或路基高填深挖，增大工程费用；另一方面，采用稍大的坡度值而增设爬坡车道可以将行驶较慢的载重车分流，但相应也增加了爬坡车道的费用。,爬坡车道,设置条件,规范规定：高速公路、一级公路纵坡长度受限制的路段，应对载重汽车上坡行驶速度的降低值和设计通行能力进行验算，符合下列情况之一者，可在上坡方向行车道右侧设置爬坡车道：沿上坡方向载重汽车的行驶速度降低到下表的允许最低速度以下时，可设置爬坡车道；上坡路段的设计通行能力小于设计小时交通量时。,上坡方向允许最低速度,爬坡车道的设计,横断面布置,爬坡车道的路肩和正线一样由硬路肩和土路肩组成：硬路肩标准可低于正线，宽度为1米即可；土路肩按正线标准；窄路肩不能供停车之用，在长而连续的爬坡车道路段上，其右侧按规定设计紧急停车带。,爬坡车道的设计,横坡度,因爬坡车道的行车速度比正线小，为安全起见，规定高速公路正线超高坡度与爬坡车道的超高坡度之间的对应关系：,爬坡车道的超高坡度,爬坡车道的设计,平面布置,爬坡车道总长度为：,平面布置,L1起点处渐变段长度，用来使正线车辆驶离正线而进入爬坡车道，长度为45米；L爬坡车道长度，与正线纵坡长度一致；L2终点处附加长度，供车辆驶入正线加速至容许车速所需的长度，该长度包括终点渐变段长度60米在内；,3.4平纵线形组合设计,原则应保持线形在视觉上的连续性；应保持线形在视觉上、心理上的均衡；应根据道路排水和汽车行驶力学要求，选择组合得当的合成坡度；应考虑与道路周围环境的协调。,在进行平纵面组合设计时，要满足驾驶人员的视觉和心理的要求，这是因为驾驶人员以高速行车时，是通过视觉、运动感觉和时间变化的感觉来判断线形的。因此，线形设计要使驾驶人员保持视觉的连续性，并有足够的舒适感和安全感，使视觉与心理反应达到均衡。,为使平面和纵断面线形均衡，一般取竖曲线半径为平曲线半径的1020倍。否则，会失去视觉上的均衡性，给人以不愉快的感觉。,合理选择道路的纵坡度和横坡度，以保持排水通畅，而不形成过大的合成纵坡。合成坡度过大，对行车安全不利；过小对排水不利，也影响安全行车。,平纵组合,(1)平面上为直线，纵面也是直线构成具有恒等坡度的直线；(2)平面上为直线，纵面上是凹形竖曲线构成凹下去的直线；(3)平面上为直线，纵面上是凸形竖曲线构成凸起的直线；(4)平面上为曲线，纵面上为直线构成具有恒等坡度的平曲线；(5)平面上为曲线，纵面上为凹形竖曲线构成凹下去的平曲线：(6)平面上为曲线，纵面上为凸形竖曲线构成凸起的平曲线。,(1)(3)型是在垂直平面内的线形类，(4)(6)型是立体曲线。从视觉、心理分析来看，他们各有优势和不足：(1)型组合往往线形单调、枯燥，行车过程中视景缺乏变化，容易使驾驶员产生疲劳和频繁超车。设计时应采用画车道线、设标志、绿化，并与路侧设施配合等方法来调节单调的视觉，增进视线诱导。,(2)型组合具有较好的视距条件，能给驾驶员以动的视觉效果，行车条件较好。设计时要注意避免采用较短的凹形竖曲线，尤其在两个凹形竖曲线间注意不要插入短的直坡段；在长直线末端不宜插入小半径的凹形竖曲线。(3)型组合视距条件差，线形单调，应注意避免，无法避免时应采用较大的竖曲线半径；若与(2)型组合时，应注意克服“驼峰”、“暗凹”和“浪形”等不良视觉现象出现。,(4)型组合一般说来只要平曲线半径选择适当，纵坡不太陡，即可获得较好的视觉和心理感受；设计时须注意检查合成坡度是否超限。(5)、(6)型组合设计是一种常见的又比较复杂的组合形式。如果平、纵面线形几何要素的大小适宜，位置适当，均衡协调，可以获得视觉舒顺、视线诱导良好的立体线形。相反，则会出现一些不良的后果，设计时应引起特别重视。,平曲线与竖曲线的组合,平纵组合,直线与纵断面的组合,线形组合与景观的协调配合,平曲线与竖曲线的组合,当平曲线与竖曲线半径均较大时，平、竖曲线宜重合，但平曲线与竖曲线均较小时，不得重合。当竖曲线与平曲线组合时，竖曲线宜包含在平曲线之内，且平曲线应稍长于竖曲线。其优点是，当车辆驶入凸形竖曲线的顶点之前，即能清楚地看到平曲线的始端，辨明弯道的走向，不致因判断错误而发生事故。,平曲线与竖曲线的组合,平、竖曲线大小应保持均衡。一般取竖曲线半径为平曲线半径的1020倍。否则，会失去视觉上的均衡性，给人以不愉快的感觉。平、竖曲线的线形，其中一方大而平缓时，另一方不能多而小。,平曲线与竖曲线重叠在一起，而且平曲线比竖曲线稍长一点，可以得到在视觉上诱导驾驶员的效果，驾驶员会感到是在优美平顺的线形中运行。,平曲线与竖曲线的组合,平纵不良组合,在凸形竖曲线顶部有平曲线拐点时，线形失去视觉诱导，给驾驶员以不安的感觉，接近顶点才知道路线向相反方向弯曲，这时操纵方向盘是急促而有危险的。,在凹形竖曲线底部有平曲线拐点(即转向点)，视觉上无问题，但排水不畅，雨天行车时路面溅水，行车不安全。,在一个平曲线内，纵断面线形反复，易形成看得见脚下和前方，却看不见中间凹陷处的线形。因此，驾驶员由于视觉上不放心，即使凹度很小，也不敢正常驾驶。,直线与纵断面的组合平面的长直线与纵断面的直坡线配合，对于双车道道路超车方便，在平坦地区与地形适应，但行车单调，易疲劳；直线上一次变坡是很好的平、纵组合；直线中短距离内两次以上变坡会形成反复凹凸的“凹陷”、“驼峰”，看上去既不美观，也不连贯，使驾驶员的视线中断；,直线与纵断面的组合,暗凹,直线与纵断面的组合如果路线有起伏，最好不要采用长直线，应使平面路线随纵坡的变化略有转折，但要避免驾驶员一眼能看到路线方向转折两次以上。,直线与纵断面的组合,线形组合与景观的协调配合,道路景观工程,内部协调外部协调,内部协调指平、纵线形视觉上的连续性和立体协调性；,外部协调指道路与其两侧坡面、路肩、中间带、沿线设施等的协调以及道路的宏观位置。,线形组合与景观的协调配合,配合原则应在道路的规划、选线、设计、施工全过程中重视景观要求；尽量少破坏沿线自然景观，避免深挖高填。纵断面尽量减少填挖，横断面设计要使边坡造型和绿化与现有景观相适应，弥补必要填挖对自然景观的破坏；应能提供视野的多样性，力求与周围的风景自然地融为一体，宜消除单调感；应考虑与公路周围环境的均衡，不得已时，可借助于设置防护棚、植树、挖方边坡、路标等措施来改善公路环境，并补助诱导。,在下坡右转弯公路的左侧路旁植树，可使正在高速行驶的驾驶员消除不安全感，并起到诱导视线的作用。,在直线路段或平曲线转折点附近有坡顶时，如在中央分隔带或路旁植树，会起到预告前方公路线形的作用。,用植树处理前面挖方一侧的坡面工程，既可遮住坡面工程的边缘以保持线形和视觉上的良好效果，又可改善景观。,变化较少的平坦地区公路，如在路侧、边坡、中央分隔带等处绿化植树，既可起到预告前方的诱导作用，又增加了景观。,在平曲线外侧路旁植树，既能诱导视线，又可预知行驶方向。,3.5纵断面线形设计,1.纵断面设计要点,2.纵断面设计方法步骤,3.纵坡设计应注意的问题,1.纵断面设计要点,关于纵坡极限值的运用；关于最短坡长；各种地形条件下的纵坡设计；关于竖曲线半径的选用；关于相邻竖曲线的衔接。,纵坡极限值设计时不可轻易采用，应留有余地。在受限制较严，如越岭线为争取高度、缩短路线长度或避开艰巨工程等，才有条件地采用；好的设计应尽量考虑人的视觉、心理上的要求，使驾驶员有足够的安全感、舒适感和视觉上的美感。一般讲，纵坡缓和一些较好，但为了路面排水，最小纵坡不应低于0.3。,坡长是指纵断面两变坡点之间的水平距离。坡长不宜过短，以不小于计算行车速度9s的行程为宜；对于连续起伏的路段，坡度应尽量小，坡长和竖曲线应争取到极限的1倍或2倍以上，避免锯齿形的纵断面，以使增重与减重变化不致太频繁，从路容美观方面也应以设计为宜。,平原、微丘地形的纵坡应均应平缓，注意保证最小填土高度和最小纵坡的要求。丘陵地形应避免过分迁就地形而起伏过大，注意纵坡应顺适不产生突变；山岭、重丘地形的沿河线应尽量采用平缓纵坡，坡长不应超过限制长度，纵坡不宜大于6，注意路基控制标高的要求；,越岭线的纵坡应力求均匀，尽量不采用极限或接近极限的坡度，更不宜在连续采用极限长度的陡坡之间夹短的缓和段；山脊线和山腰线除结合地形不得已时采用较大纵坡外，在可能条件下纵坡应缓一些。,竖曲线应选用较大的半径为宜。当受限制时可采用一般最小值，特殊困难时方可采用极限最小值。坡差小时应尽量采用大的竖曲线半径。,相邻两个同向凹形或凸形竖曲线，特别是同向凹形竖曲线之间，如直坡段不长应合并为单曲线或复曲线，避免出现断臂曲线，这样要求对行车有利。,相邻反向竖曲线之间，为使增重与减重之间和缓过渡，中间最好插入一段直线。若两个竖曲线半径接近极限值时，这段直坡段至少应为计算行车速度的3s行程。当半径比较大时宜可直接相连。,准备工作,标注控制点,试坡,调整,校对,定坡,设置竖曲线,2.纵断面设计方法步骤,准备工作,在厘米绘图纸上，按比例标注里程桩号、标高，绘制标头、比例尺，填写有关内容；收集和熟悉有关资料，领会设计意图和要求。,标注控制点,路线的起、终点，重要桥涵、地质不良地段、规划相交道路路面标高、平面交叉、立体交叉的控制点及其他现状路线的控制点标高；尽量减小填挖方量。,试坡,在已标出“控制点”的纵断面图上，根据技术指标、选线意图，结合地面起伏变化，在这些点位之间进行穿插与取直，试定出若干直坡线；对各种可能坡度线方案反复比较，最后定出既符合技术标准，又满足控制点要求，且土石方较省的设计线作为初定坡度线，将前后坡度线延长交汇出变坡点的初步位置。,调整,将所定坡度与选线时坡度的安排比较，二者应基本相符；对照技术标准检查设计的最大纵坡、最小纵坡、坡长限制等是否满足规定，平、纵组合是否满足规定，平、纵组合是否适当，以及路线交叉、桥隧和连接线等处的纵坡是否合理，若有问题应及时调整。,校对,选择有控制意义的重点横断面，如高填深挖、地面横坡较陡路基、挡土墙、重要桥涵以及其他重要控制点等，在纵断面图上直接读出对应桩号的填、挖高度，用“模板”在横断面图上“戴帽子”，检查是否填挖过大、坡角落空或过远等，若有问题应及时调整纵坡。,定坡、设置竖曲线,经校和无误后，逐段把直坡线的坡度值、变坡点桩号和标高确定下来；根据技术标准、平纵组合均衡等确定竖曲线半径，计算竖曲线要素。,2标注高程控制点：,1准备工作：,3试坡：根据地形起伏情况及高程控制点，初拟纵坡线。,4调整：按平纵配合要求及标准执行情况等进行检查调整。,3试坡：根据地形起伏情况及高程控制点，初拟纵坡线。,5核对：典型横断面核对。6定坡：确定变坡点位置及变坡点高程或纵坡度。精度要求：变坡点桩号：一般要调整到10m的整桩号上坡度值：精确到小数点两