道路勘测设计之二平面设计（PPT59）

道路勘测测设计平面设计计主讲教师师：张碧碧琴长安安大大学学本章内容容提要汽车行驶驶轨迹特特性与道道路平面面线形要要素。直线的特特点和运运用、最最大长度度和最小小长度。。圆曲线的的特点、、半径大大小及其其长度。缓和曲线线的性质质、形式式及最小小长度和和参数。道路平面面设计成成果。第一节概概述述一、路线线的相关关概念道路：一条三三维空间间的实体体，是由由路基、、路面、、桥梁、、涵洞、、隧道等等组成的的空间带带状构造造物。路线：道路中中线的空空间位置置。线形：道路中中心线的的立体形形状。路线平面面：路线在在水平面面上的投投影。路线纵断断面：沿中线线竖直剖剖切再行行展开的的断面（（展开是是指展开开平面、、纵坡不不变）。。路线横断断面：中线上上任一点点的法向向切面。。路线设计计：确定路路线空间间位置和和各部分分的几何何尺寸。。二、汽车车行驶轨轨迹与道道路平面面线形（一）汽汽车行驶驶轨迹1.行驶中的的汽车其其重心的的轨迹在在几何性性质上有有以下特特征：①轨迹是是连续的的、圆滑滑的，任任一点不不出现错错头和破破折。②曲率是是连续的的，任一一点不出出现两个个曲率值值。③曲率变变化是连连续的，，任一点点不出现现两个曲曲率变化化率值。。2.平面线形形：路线线平面的的形状。。●由直线线--圆曲线—直线构成成；●由直线—缓和曲线线--圆曲线构构成.直线－圆圆－直线线:不满足第第②、③条性质，但满满足第①条要求，满足足了车辆的直直行和转向要要求，可作为为低等级山区区道路采用。。直－缓－圆－－缓－直:为满足第二条条要求，在直直线与圆曲线线间引入了一一条曲率逐渐渐变化的“缓和曲线”，使整条线形符符合汽车行驶驶轨迹特性的的第①条和②条，保持了线线形的曲率连连续。它不满满足第③条要求，不是是最理想的，，但与汽车行行驶轨迹接近近，国内外普普遍采用。平面线形三要要素：直线、圆曲线线和缓和曲线线。道路平面线形形设计，是根根据汽车行驶驶的力学性质质和行驶轨迹迹要求，合理理地确定各线线形要素的几几何参数，保保持线形的连连续性和均衡衡性，避免采采用长直线，，并注意使线线形与地形、、地物、环境境和景观等协协调。对于车车速较高的道道路，线形设设计还应考虑虑汽车行驶美美学及驾驶员员视觉和心理理上的要求。。（二）平面线线形要素第二节直直线一、直线的特特点优点：两点之间距离离最短。具有短捷、直直达的印象。。行驶受力简单单，方向明确确，驾驶操作作简易。测设简单方便便（用简单的的就可以精确确量距、放样等））。在直线上设构构造物更具经经济性。缺点：直线单一无变变化，与地形形及线形自身身难以协调。过长的直线在在交通量不大大且景观缺乏乏变化时，易使驾驶人员员感到单调、、疲倦。在直线纵坡路路段，易错误误估计车间距距离、行车速度及上坡坡坡度。易对长直线估估计得过短或或产生急躁情情绪，超速行驶。采用直线线形形时必须注意线形与地地形的关系，在运运用直线线形形并决定其长长度时，必须须慎重考虑，，一般不宜采采用长直线。。路线完全不受受地形、地物物限制的平坦坦地区或山间间的宽阔河谷谷地带；城镇及其近郊郊道路，或以以直线为主体体进行规划的的地区；长大桥梁、隧隧道等构造物物路段；路线交叉点及及其附近；双车道公路提提供超车的路路段。二、直线的运运用三.直线设计及计计算1.实地定交点:选线人员根据据道路等级和和地形条件定定出一系列直直线，相邻两两直线相交得得到各个交点点(JD1、JD2、…)，通过测量交交点的距离，，确定交点之之间的关系；；或通过测量量交点与导线线点的坐标关关系，确定交交点坐标，再再根据相邻交交点坐标算出出交点偏角和和距离。偏角的测量：：偏角或称转角角，是指路线线由一个方向向偏向另一个个方向时，偏偏转后的方向向与原方向的的夹角。偏转转后的方向位位于原方向左左侧时，称左左偏，位于原原方向右侧时时，称右偏。。在路线测量量中，一般规规定测交点右右角，由右角角计算偏角。。右角是指前前进方向右侧侧夹角，一般般用全测回法法测量。右角角大小为，右右角＝（后视视读数）－（（前视读数）），当后视读读数小于前视视读数时，上上式为，右角角＝(后视读数＋360°)－（前视读数数）。

偏角角按下式计算算：以直线为主定定交点：主要用于平平原、微丘区区，是根据地地形、地物条条件，选设定定作为路线基基本轴线的直直线，再根据据两两直线相相交得交点，，继而设置圆圆曲线和缓和和曲线，该方方法称以直线线为主定交点点法，也是传传统的方法。。以曲线为主定定交点：常用于互通通立交匝道布布线、定线或或山岭、重丘丘区高速公路路、一级公路路选线、定线线，是根据地地形及环境条条件和路线技技术要求设置置圆曲线（或或圆曲线与缓缓和曲线组合合）作为基本本轴线，再把把曲线的切线线画出，延长长各切线两两两相交定出交交点。2.纸上定线四、直线的最最大长度和最最小长度1．直线的最大大长度我国《标准》和《规范》对直线的最大大长度没有具具体的规定，，但原则规定定直线的最大大长度应有所所限制，尽量量避免长直线线。最大长度主要要应根据驾驶驶员的视觉反反应及心理上上的承受能力力来确定。一般认为：直直线的最大长长度在城镇附附近或其他景景色有变化的的地点大于20V是可以接受的的；在景色单单调的地点最最好控制在20V以内；而在特特殊的地理条条件下应特殊殊处理。当直线长度大大于1km时，可采用下下列技术措施施予以弥补：：纵坡不应过大大，一般应小小于3%。同大半径凹型型竖曲线结合合为宜。两侧地形过于于空旷时，宜宜采取栽植不不同树种或设设置一定建筑物等等措施。长直线或长下下坡尽头的平平曲线，应对对路面超高、、停车视距等进行行检验，必要要时须采用设设置标志、增增加路面抗滑能力力等安全措施施。相邻两曲线之之间应有一定定长度的直线线，这个直线线是指前一曲曲线的终点（HZ或YZ）到后一曲线的的起点（ZH或ZY）之间的长度。。（1）同向曲线间间的直线最小小长度同向曲线：是指两个转向向相同的相邻邻曲线之间连连以直线而形形成的平面线线形。断背曲线：同向曲线间连连以短的直线线。2．直线的最小小长度断背曲线的错错觉：①当直线较短短时，在视觉觉上容易形成成直线与两端端曲线构成反反弯的错觉；；②当直线过短短甚至把两个个曲线看成是是一个曲线。。危害：破坏了线形的的连续性，造造成驾驶操作作失误，应尽尽量避免。解决办法：因为是视觉上上的判断错觉觉，最好的办办法是在两同同向曲线间插插入长的直线线段，让驾驶驶员在前一个个曲线上看不不到下一个曲曲线。《规范》规定：当设计速度≥60km/h时，同向曲线线间的直线最最小长度（以以m计）以不小于于设计速度（（以km/h计）的6倍为宜；当地地形条件及其其它特殊情况况限制时，最最小直线长度度不得小于设设计速度(以km/h计)的3倍。对于设计速度≤40km/h时，参考执行行即可。在受到条件限限制时，宜将将同向曲线改改为大半径曲曲线或将两曲曲线作成复曲曲线、卵形曲曲线或C形曲线。（2）反向曲线间间直线的最小小长度反向曲线：两个转向相相反的相邻曲曲线之间连以以直线所形成成的平面线形形。对反向曲线间间直线最小长长度的规定，，主要考虑考考虑到其超高高和加宽缓和和的需要，以以及驾驶人员员操作的方便便。《规范》规定：当设计速度≥≥60km/h时，反向曲线线间直线最小小长度（以m计）以不小于于设计速度（（以km/h计）的2倍为宜。当设计速度≤≤40km/h时，可参照上上述规定执行行。当直线两端设设置有缓和曲曲线时，也可可以直接相连连，构成S型曲线。第三节圆曲曲线一、圆曲线的的特点各级公路和城城市道路不论论转角大小均均应设置圆曲曲线。圆曲线作为公公路平面线形形具有以下主主要特点：曲率1/R=常数，测设和和计算简单；；比直线更能适适应地形的变变化；在圆曲线上行行驶要受到离离心力的作用用；要比在直线上上行驶多占用用道路宽度；；在小半径的圆圆曲线内侧行行驶时，视距距条件较差。。二．汽汽车行行驶时时的横横向稳稳定性性假定：：汽车在在圆曲曲线上上作匀匀速圆圆运动动。离心力力：汽车在在弯道道上，，由于于惯性性产生生离心心力。。作用点点：在汽车车重心心。方向：：水平背背离圆圆心。。大小：：离心力力的影影响：对汽车车在平平曲线线上行行驶的的稳定定性影影响很很大，，可能能产生生横向向滑移移或横横向倾倾覆。。超高：为了减减少离离心力力的作作用，，保证证汽车车在平平曲线线上稳稳定行行驶，，必须须使平平曲线线上的的路面面做成成外侧侧高、、内侧侧低呈呈单向向横披披的形形式，，称为为横向向超高高。1.汽车在在弯道道上行行驶所所受的的离心心力2.曲线上上汽车车的受受力分分析将离心心力F和车重重分解解为平平行于于路面面的横横向力力和垂垂直于于路面面的竖竖向力力，即即：横向力力：X＝Fcosαα－GSinαα竖向力力：Y＝FSinαα＋Gcosαα注：路面横横向倾倾角α很小，，可以以认为为sinα≈≈tgα＝ih，cosα≈≈1，ih称为横横向超超高坡坡度，，即超超高值值。横向力力X：横向力力X是汽车车行驶驶的不不稳定定因素素，竖竖向力力是稳稳定因因素。。单从从横向向力X值的大大小，，尚不不能反反映不不同重重量汽汽车的的稳定定程度度。故故采用用横向力力系数数来衡量量稳定定性程程度，，其意意义为为单位位车重重的横横向力力，即即用V（km/h）表达达上述述公式式，则则横向力力系数数值愈愈大，，汽车车在圆圆曲线线上的的稳定定性愈愈差。。此式式对确确定圆圆曲线线半径径、超超高值值以及及评价价汽车车在圆圆曲线线上行行驶时时的安安全性性和舒舒适性性有十十分重重要的的意义义。3.横向倾倾覆条条件分分析横向倾倾覆：：汽车在在横向向力的的作用用下，，可能能产生生绕外外侧车车轮触触地点点向外外倾覆覆的危危险。XhgbY稳定条条件：：倾覆力力矩小小于或或等于于稳定定力矩矩。即即：Fi因比G小得多多，可可略去去不计计，则则：整理，，得：：用此式式可计计算汽汽车在在圆曲曲线上上行驶驶时，，不产产生横横向倾倾覆的的最小小圆曲曲线半半径或或最大大允许许行驶驶速度度。4.横向滑滑移条条件分分析横向滑滑移：：汽车在在横向向力的的作用用下，，可能能产生生沿横横向力力方向向的侧侧向滑滑移。。稳定条条件：：横向力力小于于或等等于轮轮胎与与路面面之间间的横横向附附着力力。即即：整理，，得：：式中：：φh——横向附附着系系数用此式式可计计算出出汽车车在圆圆曲线线上行行驶时时，不不产生生横向向滑移移的最最小圆圆曲线线半径径R或最大大允许许行驶驶速度度V。汽车在在平曲曲线上上行驶驶时的的横向向稳定定性主主要取取决于于横向向力系系数值值的大大小。。汽车在在平曲曲线上上行驶驶时，，在发发生横横向倾倾覆之之前先先产生生横向向滑移移现象象。在在道路路设计计中应应保证证汽车车不产产生横横向滑滑移，，同时时也就就保证证了横横向倾倾覆的的稳定定性。。5.横向稳稳定性性的保保证现代汽汽车在在设计计制造造时重重心较较低，，一般般：：而：所所以以：三、圆圆曲线线半径径及圆圆曲线线长度度（一））公式式与因因素：：在指定定车速速V下，极极限最最小半半径决决定于于容许许的最最大横横向力力系数数和该该曲线线的最最大超超高。。1．关于于横向向力系系数（1）危及及行车车安全全为保证证汽车车用普普通轮轮胎在在最不不利路路面状状况下下能不不产生生横向向滑移移，μ应小于于0.2,μ≤φh。（2）增加加驾驶驶操纵纵的困困难要求μ<0.3。（3）增加加燃料料消耗耗和轮轮胎磨磨损μ的存在在使车车辆的的燃油油消耗耗和轮轮胎磨磨损增增加。。横向向力系系数为为μ＝0.2时，其其燃料料消耗耗与与轮胎胎磨损损分分别比比μ＝0时多20％和近近3倍。（4）行旅旅不舒舒适当μ超过一一定数数值时时，驾驾驶者者在曲曲线行行驶中中驾驶驶紧张张，乘乘客感感到不不舒适适。μ＜0.1～0.15间，舒舒适性性可以以接受受。综上所所述对对行车车的安安全、、经济济与舒舒适方方面的的要求求，最最大横横向力力系数数采用用：设计速度1201008060403020横向力系数0.10.120.130.150.150.160.172．关于于最大大超高高（1）要考考虑车车辆组组成在混合合交通通的道道路上上，要要同时时顾及及快、、慢车车，快快车超超高宜宜大，，慢车车超高高宜小小。（2）要考虑气候候因素慢车及停在弯弯道上的车辆辆在不利季节节情况要能避避免沿路面最最大合成坡度度下滑。（（一年中气气候恶劣季节节路面的横向向摩阻系数））（3）要考虑驾驶驶者和乘客以以心理上的安安全感对重山区、城城市附近、交交叉口以及有有相当数量非非机动车行驶驶的道路，最最大超高还要要比一般道路路小些。《标准》根据不同横向向摩阻系数值值，对于不同同等级的公路路规定了极限最小半径径、一般最小小半径和不设设超高的最小小半径三个最最小半径。1．极限最小半半径定义：指各级公路在在采用允许最最大超高和允允许的横向摩摩阻系数情况况下，能保证证汽车安全行行驶的最小半半径。强调说明：极限最小半径径是路线设计计中的极限值值，是在特殊殊困难条件下下不得已才使使用的，一般般不轻易采用用。（二）最小半半径的计算定义：指各级级公路在采用用允许最大超超高和允许的的横向摩阻系系数情况下，，能保证汽车车安全行驶的的最小半径。。《标准》中计算一般最最小半径时:适用：一般最最小半径是在在通常情况下下推荐采用的的最小半径。。一方面考虑了了汽车在这种种曲线上以设设计速度或以以接近设计速速度行驶时，，旅客有充分分的舒适感；；另一方面考虑虑到在地形比比较复杂的情情况下不会过过多增加工程程量。2．一般最小半半径定义：指平曲线半径径较大，离心心力较小时，，汽车沿双向向路拱（不设设超高）外侧侧行驶的路面面摩阻力足以以保证汽车行行驶安全稳定定所采用的最最小半径。路路面不设超高高。，μ=0.035～0.040μ=0.040～0.0503．不设超高的的最小半径（三）圆曲线线半径的运用用1.在适应地形的的情况下应选选用较大的曲曲线半径。2.在确定圆曲线线半径时，应应注意：一般情况下宜宜采用最小平平曲线半径的的4～8倍，或超高为为2%～4%的圆曲线半径径。地形条件受限限制时，应采采用大于或接接近于圆曲线线最小半径的“一般值”。地形条件特殊殊困难而不得得已时，方可可采用圆曲线线最小半径的“最小值”。应同前后线形形要素相协调调，使之构成成连续、均衡衡的曲线线形。应同纵面线形形相配合，必必须避免小半半径曲线与陡陡坡相重合。选用曲线半径径时，最大半半径值一般不不应超过10000m为宜。第四节缓缓和曲线缓和曲线是道道路平面线形形三要素之一一。缓和曲线：设置在直线和和圆曲线之间间或半径相差差较大的两个个转向相同的的圆曲线之间间的一种曲率率连续变化的的曲线。《规范》规定：除四级公路外外的其它各级级公路都应设设置缓和曲线线，另外，当当圆曲线半径径大于“不设设超高的最小小半径”时可可省略缓和曲曲线。一、缓和曲线线的作用1.曲率连续变化化，便于车辆辆遵循。2.离心加速度逐逐渐变化，旅旅客感觉舒适适。3.超高横坡度及及加宽逐渐变变化，行车更更加平稳。4.与圆曲线配合合，增加线形形美观。（一）缓和曲曲线的基本要要求可行性好：它的线形应应符合行驶轨轨迹，它的几几何特征应满满足汽车轨迹迹的三条几何何特征。缓和性好：是指缓和曲曲线要有一定定长度，如太太短，驾驶员员操作紧张，，旅客不舒适适，线形不协协调。计算方便，公式简单;便于在设计、、施工中使用用。二、缓和曲线线的基本要求求、性质及采采用形式假定：1.汽车为一刚体体，转弯时汽汽车不变形，，忽略弹性轮轮胎的变形。。2.左、右轮差别别不计，只研研究重心的轨轨迹。3.转弯时汽车等等速行驶，驾驾驶员匀速转转动方向盘。。（二）缓和曲曲线的性质轨迹方程讨论论:回旋线三次抛物线双纽线n次抛物线正弦形曲线我国《标准》推荐的缓和曲曲线是回旋线。（三）缓和曲曲线的采用形形式三、回旋线作作为缓和曲线线（一）回旋线线的基本方式式1.定义：回旋线线是曲率随着着曲线长度成成比例变化的的曲线。2.基本公式：A--回旋线参数，，为长度量量纲，表示回回旋线曲率变变化的缓急程程度。3.特点:满足行驶轨迹迹三条特征的的程度。（二）回旋线线的性质1.曲率按线形函函数增大。A越大，曲率k越小，回旋线线变化慢；A越小，曲率k越大，回旋线线变化快.2.所有回旋线都都几何相似。。回旋线的形状状是相似的，，单位回旋线线的性质可以以代表所有回回旋线。几何要素：四、缓和曲线线的最小长度度及参数（一）缓和曲曲线的最小长长度1.旅客感觉舒适适2.超高渐变率适适中3.行驶时间不过过短设计速度(km/h)1201008060403020缓和曲线最小长度(m)1008570604030201.回旋线最小参参数值公路平面线形形设计时，不不仅可以选定定缓和曲线长长度，同样也也可以选定缓缓和曲线参数数A值。2.视觉要求A与R的关系：R/3≤A≤≤R●当R接近100m时，取A等于R；●当R小于100m时，则取A等于或大于R；●在圆曲线较较大时，可选选择A在R/3左右；●如R超过了3000m，可取A小于R/3。（二）缓和曲曲线参数A值（三）缓和曲曲线的省略1.在直线与圆曲曲线间，当圆圆曲线半径大大于或等于““不设超高的的最小半径””时。2.半径不同的同同向圆曲线。。(1)半径不同的同同向圆曲线间间，当小圆半半径大于或等等于“不设超超高的最小半半径”时，直直线与圆曲线线间和大圆与与小圆间均不不设缓和曲线线；(2)小圆半径大于于表中所列临临界曲线半径径，且符合下下列条件之一一时，大圆与与小圆间不设设缓和曲线：：①小圆曲线按按规定设置相相当于最小缓缓和曲线长的的回旋线时，，其大圆与小小圆的内移值值之差不超过过0.10m。②设计速度≥≥80km/h时，大圆半径径（R1）与小圆半径径（R2）之比小于1.5。③设计速度＜＜80km/h时，大圆半径径（R1）与小圆半径径（R2）之比小于2。第五节道道路平面设计计成果摘要内容：反映路线线平面线线形设计计成果的的主要表表格有直直线、曲曲线及转转角表、、逐桩坐坐桩表、、导线点点一览表表、路线线固定表表等；主主要成果果图有公公路平面面设计图图、城市市道路平平面图。。一、道路路平面设设计的表表格路线平面面线形设设计成果果：主要表格格有直线线、曲线线及转角角表，逐逐桩坐桩桩表，导导线点一一览表、、路线固固定表等等，本节节主要介介绍直线线、曲线线及转角角表和逐逐桩坐桩桩表。1．直线、、曲线及及转角表表直线、曲曲线及转转角表集集中反映映了道路路平面设设计的成成果和数数据，是是施工放放线和复复测的主主要依据据。表中中应列出出交点号号、交点点里程、、交点坐坐标、转转角、曲曲线要素素值、曲曲线主点点桩号、、直线长长、计算算方位角角、断链链等。在路线纵纵断面设设计、横横断面设设计和其其它构造造物设计计时都要要使用直直线、曲曲线及转转角表中中的数据据。本表表对公路路和城市市道路都都适用，，其中““交点坐坐标”一一栏视道道路等级级和测设设情况取取舍。2．逐桩坐坐标表逐桩坐标标表是等等级较高高道路平平面设计计成果组组成之一一；是道道路中线线放样的的重要资资料。逐逐桩坐标标表即各各个中桩桩的坐标标。等级较高高道路