平面线形设计.ppt
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1、第三章第三章平面线形设计平面线形设计PlaneLineDesign第一节第一节概概述述Generalization一、路线一、路线Route道路是一条三维空间实体道路是一条三维空间实体,它是由路基、,它是由路基、路面、桥梁、涵洞、隧道和沿线设施所组成的路面、桥梁、涵洞、隧道和沿线设施所组成的线形构造物。线形构造物。一般所说的路线,是指道路一般所说的路线,是指道路中线中线的空间位置的空间位置,它是一条空间曲线。,它是一条空间曲线。路线在水平路线在水平面上的投影称为路线的平面;沿中线竖直剖切面上的投影称为路线的平面;沿中线竖直剖切再行展开则是路线的纵断面;中线上任意一点再行展开则是路线的纵断面;中
2、线上任意一点的法向切面是道路在该点的横断面。的法向切面是道路在该点的横断面。设计顺序:设计顺序:一般是一般是先定平面先定平面,并沿这个平面线形进行,并沿这个平面线形进行勘查测量,以取得地面线、地质及水文地质等勘查测量,以取得地面线、地质及水文地质等资料。资料。然后再设计纵断面和横断面然后再设计纵断面和横断面。为求得线。为求得线形的均衡和减少土石方工程量,形的均衡和减少土石方工程量,必要时再修改必要时再修改平面位置平面位置。这样经过几次反复,可望得到一个。这样经过几次反复,可望得到一个令人满意的结果。令人满意的结果。二、平面线形设计的基本要求二、平面线形设计的基本要求EssentialDeman
3、dofPlaneLineDesign(一)(一)汽车行驶轨迹汽车行驶轨迹(1)汽车运行轨迹是连续的、圆滑的汽车运行轨迹是连续的、圆滑的,即在,即在任何一点不出现错头和破折;任何一点不出现错头和破折;(2)其曲率是连续的其曲率是连续的,即轨迹上任意一点不,即轨迹上任意一点不出现两个曲率值;出现两个曲率值;(3)其曲率的变化率是连续的其曲率的变化率是连续的,即轨迹上任,即轨迹上任意一点不出现两个曲率变化率的值。意一点不出现两个曲率变化率的值。曲率图图 3-2 曲率不连续的路线直线圆曲线小圆)路线图直线大圆直线图不连续的路线不相切出错头不圆滑曲率图图 3-2 曲率不连续的路线直线圆曲线小圆)路线图直
4、线大圆直线图不连续的路线不相切出错头不圆滑图 3-3 曲 率 连 续 的 路 线图 3-4 路 线 的 平 面图 3-3 曲率连续的路线图3-4 路线的平面不满足上述第一条的线路如图不满足上述第一条的线路如图31所示。所示。满足上述第一条,但不满足上述第二条的满足上述第一条,但不满足上述第二条的线路如图线路如图32所示。所示。图图31和图和图32的线形一般是不允许的,的线形一般是不允许的,在低等级公路个别情况下可以采用。在低等级公路个别情况下可以采用。(二)(二)平面线形要素平面线形要素1、汽车导向轮旋转面与车身纵轴的关系:、汽车导向轮旋转面与车身纵轴的关系:(1)角度为零;)角度为零;直线直
5、线(2)角度为常数;)角度为常数;圆曲线圆曲线(3)角度为变数。)角度为变数。缓和曲线缓和曲线2、平面线形的三要素:、平面线形的三要素:1、直线直线曲率为零的线形;曲率为零的线形;2、圆曲线、圆曲线曲率为常数的线形;曲率为常数的线形;3、缓和曲线、缓和曲线曲率为变数的线形。曲率为变数的线形。现代道路每线形正是由上述三种线形构成现代道路每线形正是由上述三种线形构成的,称为的,称为“平面线形三要素平面线形三要素”。图 3-3 曲 率 连 续 的 路 线图 3-4 路 线 的 平 面图 3-3 曲率连续的路线图3-4 路线的平面第二节第二节直线直线StraightLine一、一、直线的特点直线的特点
6、TheCharacterofStraightLine1、优点、优点(1)因为两点之间以直线为最短因为两点之间以直线为最短,一般在,一般在定线时,只要地势平坦、无大的地面障碍物,定线时,只要地势平坦、无大的地面障碍物,定线人员都首先考虑采用直线通过;定线人员都首先考虑采用直线通过;(2)笔直的道路给人以短捷、直达的良好笔直的道路给人以短捷、直达的良好印象,给人以美的感受印象,给人以美的感受;(3)汽车在直线行驶时)汽车在直线行驶时受力简单,方向受力简单,方向明确,驾驶操作简易明确,驾驶操作简易;(4)从测设上看,)从测设上看,直线只需定出两点,直线只需定出两点,就可方便地测定方向和距离就可方便地
7、测定方向和距离。2、缺点、缺点(1)过长的直线易使驾驶员感到单调、疲过长的直线易使驾驶员感到单调、疲倦倦,难以目测车间距离,于是产生尽快驶出直,难以目测车间距离,于是产生尽快驶出直线的急躁情绪,车速一再加快,很容易造成交线的急躁情绪,车速一再加快,很容易造成交通事故;通事故;(2)在地形变化复杂地段,)在地形变化复杂地段,直线线形难于直线线形难于与地形相协调与地形相协调,造成工程费用显著增高。,造成工程费用显著增高。二、二、直线的运用直线的运用ApplicationofStraightLine下述路段可采用直线线形:下述路段可采用直线线形:1、不受地形、地物限制的平坦地区或山间的开阔不受地形、
8、地物限制的平坦地区或山间的开阔谷地;谷地;2、以直线条为主的城镇、近郊或农村;以直线条为主的城镇、近郊或农村;3、长大桥梁、隧道等构造物路段;长大桥梁、隧道等构造物路段;4、路线交叉点及其前后;路线交叉点及其前后;5、双车道公路提供超车的路段。双车道公路提供超车的路段。当采用长的直线线形时,为弥补景当采用长的直线线形时,为弥补景观单调之缺陷,可采取如下技术措施:观单调之缺陷,可采取如下技术措施:(1)长直线上的纵坡坡度不宜过大长直线上的纵坡坡度不宜过大,因,因长直线再加上陡坡行驶更容易造成高速长直线再加上陡坡行驶更容易造成高速度;度;(2)长直线与大半径凹形竖曲线组合为长直线与大半径凹形竖曲线
9、组合为宜宜(见图(见图35),这样可以使生硬呆板),这样可以使生硬呆板的直线得到一些缓和;的直线得到一些缓和;(3)道路两侧地形空旷时,)道路两侧地形空旷时,宜采取植不同宜采取植不同树种或设置一定建筑物、雕塑、广告牌树种或设置一定建筑物、雕塑、广告牌等措施等措施,以改善单调的景观;,以改善单调的景观;(4)长直线或长下坡尽头的平曲线,除曲)长直线或长下坡尽头的平曲线,除曲线半径、超高、视距等必须符合规定外,线半径、超高、视距等必须符合规定外,还还必须采取设置标志、增加路面抗滑能必须采取设置标志、增加路面抗滑能力等安全措施。力等安全措施。图3-5在公路工程技术标准中,由于缺乏资在公路工程技术标准
10、中,由于缺乏资料目前尚无明确规定,但在公路路线设计规料目前尚无明确规定,但在公路路线设计规范中已明确在确定直线长度时,必须持谨慎范中已明确在确定直线长度时,必须持谨慎态度,尽量不采用较长的直线。直线的最大长态度,尽量不采用较长的直线。直线的最大长度可参见下表度可参见下表。设计车速 V(km/h)120 100 80 60 40 30 20 直线最大长度(20V)(m)2400 2000 1600 1200 800 600 400 一般值(6V)720 600 480 360 240 180 120 同向曲线 间 特殊值(2.5V)100 75 50 直 线 最小 长 度 (m)反向曲线间(2V
11、)240 200 130 120 80 60 40 四、直线的最小长度四、直线的最小长度TheMinimumLengthofStraightLine1、同向曲线间的直线最小长度(见上表)同向曲线间的直线最小长度(见上表)互相通视的同向曲线间若插以短直线,容互相通视的同向曲线间若插以短直线,容易产生把直线和两端曲线看成为反向曲线的错易产生把直线和两端曲线看成为反向曲线的错觉,造成驾驶员操作失误,在设计中这种情况觉,造成驾驶员操作失误,在设计中这种情况应尽量避免。应尽量避免。这个距离在数值上大约是行车速这个距离在数值上大约是行车速度度V(km/h)的的6倍倍(以以m计计),所以规范推,所以规范推荐
12、荐同向曲线间的最小直线长度以不小于同向曲线间的最小直线长度以不小于6V为宜。为宜。2、反向曲线间的直线最小长度反向曲线间的直线最小长度转向相反的两圆曲线之间,考虑到为设置转向相反的两圆曲线之间,考虑到为设置超高和加宽缓和段的需要,以及驾驶员转向的超高和加宽缓和段的需要,以及驾驶员转向的需要,应设置一定长度的直线。如果无缓和曲需要,应设置一定长度的直线。如果无缓和曲线时,线时,设置直线段最小长度以不小于行车速度设置直线段最小长度以不小于行车速度的的2倍为宜;倍为宜;若二反向曲线已设缓和曲线,在若二反向曲线已设缓和曲线,在受到限制的地点,也可将二反向缓和曲线首尾受到限制的地点,也可将二反向缓和曲线
13、首尾相接。相接。第三节第三节圆曲线圆曲线CircularCurve一、一、圆曲线的几何要素圆曲线的几何要素TheGeometryElementofCircularCurve在平面线形中,圆曲线也是常用的基本线在平面线形中,圆曲线也是常用的基本线形,它在路线遇到障形,它在路线遇到障碍或地形需要改变方向时碍或地形需要改变方向时设置。各级公路和城市道路,不论转角大小均设置。各级公路和城市道路,不论转角大小均应设置圆曲线。应设置圆曲线。圆曲线具有易与地形相适应、圆曲线具有易与地形相适应、可循性好、线形美观、易于测设等优点,使用可循性好、线形美观、易于测设等优点,使用十分普遍。十分普遍。圆曲线的几何要素
14、为:圆曲线的几何要素为:2RtgT RRL01745.018012secRELTJ 2式中:式中:T切线长切线长(m);L曲线长曲线长(m);E外距外距(m);J超距(校正数)超距(校正数)(m);R圆曲线半径圆曲线半径(m);转角(度)。转角(度)。二、二、圆曲线半径圆曲线半径TheRadiusofCircularCurve行驶在圆曲线上的汽车将受到离心力的作行驶在圆曲线上的汽车将受到离心力的作用。离心力的大小与曲线半径密切相关,半径用。离心力的大小与曲线半径密切相关,半径愈小,离心力愈大,汽车行驶的稳定性愈差。愈小,离心力愈大,汽车行驶的稳定性愈差。所以在选择圆曲线半径时,应尽可能选用较大
15、所以在选择圆曲线半径时,应尽可能选用较大的值的值,只有在地形或其它条件受到限制时,才,只有在地形或其它条件受到限制时,才使用较小的曲线半径。使用较小的曲线半径。hiVR1272式中:V行车速度(km/h);横向力系数;ih横向超高坡度。在车速在车速V一定的条件下,最小曲线半径一定的条件下,最小曲线半径Rmin决决定于容许的最大横向力系数定于容许的最大横向力系数max和最大横向超高坡和最大横向超高坡度。度。(3-1)(一)公式与因素(一)公式与因素1、关于横向力系数关于横向力系数横向力的存在对汽车产生种种不利的横向力的存在对汽车产生种种不利的影响,影响,值越大越不利值越大越不利,主要表现在如下几
16、,主要表现在如下几个方面:个方面:(1)危及行车安全危及行车安全汽车能在弯道上行驶的基本前提是轮胎不在汽车能在弯道上行驶的基本前提是轮胎不在路面上滑移,路面上滑移,这就要求横向力系数这就要求横向力系数低于轮胎与路低于轮胎与路面之间的横向摩擦系数面之间的横向摩擦系数f,即即:(3-2)横向摩擦系数横向摩擦系数f与车速、路面及轮胎状况有关。与车速、路面及轮胎状况有关。一般在干燥路面上约为一般在干燥路面上约为0.40.8;在潮湿路面上约;在潮湿路面上约为为0.250.4;路面结冰或积雪时,降到;路面结冰或积雪时,降到0.2以下;在以下;在光滑的冰面上可降到光滑的冰面上可降到0.06。f(2)增加驾驶
17、操作的困难增加驾驶操作的困难弯道上行驶的汽车,在横向力的作用下,弯道上行驶的汽车,在横向力的作用下,轮胎会产生横向变形,使轮胎的中间平面与轮轮胎会产生横向变形,使轮胎的中间平面与轮迹前进方向形成一个横向偏移角。迹前进方向形成一个横向偏移角。横向偏移角横向偏移角的存在增加了汽车在方向控制上的困难的存在增加了汽车在方向控制上的困难,特别,特别是在高速行驶时。如果横向偏移角超过是在高速行驶时。如果横向偏移角超过5度,度,一般司机就不易保持驾驶方向上的稳定一般司机就不易保持驾驶方向上的稳定。(3)增加燃料消耗和轮胎磨损增加燃料消耗和轮胎磨损横向力的存在,使汽车的燃油消耗和轮横向力的存在,使汽车的燃油消
18、耗和轮胎磨损增加,下表是实测的增加百分比。胎磨损增加,下表是实测的增加百分比。横向力系数横向力系数燃料消耗()燃料消耗()轮胎磨损()轮胎磨损()01001000.051051600.101102200.151153000.20120390(4)行旅不舒适)行旅不舒适当当0.40时,非常不稳定,有倾车的危险性;时,非常不稳定,有倾车的危险性;综上所述,综上所述,值的采用关系到行车的安全、值的采用关系到行车的安全、经济与舒适。为计算圆曲线半径,应考虑各方经济与舒适。为计算圆曲线半径,应考虑各方面因素采用一个合适的面因素采用一个合适的值。研究结果表明,值。研究结果表明,0.110.16较为合适。较
19、为合适。2、关于最大横向超高坡度、关于最大横向超高坡度ih(max)在车速较高的情况下,为平衡离心力要用在车速较高的情况下,为平衡离心力要用较大的超高。但道路上行驶车辆的速度并不一样,较大的超高。但道路上行驶车辆的速度并不一样,特别是在混合交通的道路上,不仅要照顾快车,特别是在混合交通的道路上,不仅要照顾快车,也要考虑到慢车的安全。在个别情况下,因故也要考虑到慢车的安全。在个别情况下,因故(如前方路段冲坏、交通堵塞、交通事故等)暂(如前方路段冲坏、交通堵塞、交通事故等)暂停在弯道上的车辆,其离心力为零。停在弯道上的车辆,其离心力为零。如超高率过如超高率过大,超出轮胎与路面间的横向摩擦系数,车辆
20、有大,超出轮胎与路面间的横向摩擦系数,车辆有沿着路面最大合成坡度下滑的危险。沿着路面最大合成坡度下滑的危险。(3-3)式中:式中:f取一年中气恶劣季节路面的横向取一年中气恶劣季节路面的横向摩擦系数。摩擦系数。我国标准对公路最大横向超高坡度的我国标准对公路最大横向超高坡度的规定见表规定见表31,城市道路最大横向超高坡度见,城市道路最大横向超高坡度见表表32。fihmax各各级级公公路路圆圆曲曲线线部部分分最最大大值值超超高高值值 表 3-1 汽车专用公路 一般公路 公路等级 高速公路 一 二 二 三 四 一般地区(%)10 8 积雪冰冻地区(%)6 城城市市道道路路最最大大超超高高值值 表 3-
21、2 计算行车速度(km/h)80 60,50 40,30,20 最大超高横坡度(%)6 4 2(二)(二)最小半径的计算最小半径的计算1、极限最小半径极限最小半径根据以上叙述,横向力系数根据以上叙述,横向力系数0.110.16,最大超高横坡度因道路不同而不同,公路最大超高横坡度因道路不同而不同,公路ih(max)=0.1,0.08,0.06,城市道路城市道路ih(max)=0.06,0.04,0.02,按式(按式(31)可计算极限最小半径。)可计算极限最小半径。极限最小半径是路线设计中的最小极限极限最小半径是路线设计中的最小极限值,只有在值,只有在特殊困难特殊困难的条件下,不得已时才的条件下,
22、不得已时才可以采用这一数值进行设计。可以采用这一数值进行设计。2、一般最小半径一般最小半径圆曲线的最小半径,一方面要考虑旅客有圆曲线的最小半径,一方面要考虑旅客有充分的舒适感和安全感,另一方面也要注意到充分的舒适感和安全感,另一方面也要注意到在地形比较复杂的情况下不会过多地增加工程在地形比较复杂的情况下不会过多地增加工程量。为此,标准和规范规定了量。为此,标准和规范规定了“一般一般最小半径最小半径”横向力系数横向力系数和最大横向超高坡度和最大横向超高坡度ih(max)的取值。在线路设计时,一般采用的取值。在线路设计时,一般采用“一一般最小半径般最小半径”较为合理。较为合理。各各级级公公路路圆圆
23、曲曲线线最最小小半半径径表表3-4 汽车专用公路 一般公路 公路等级 高速公路 一 二 二 三 四 地形 平原微丘 重丘 山岭 平原微丘 山岭重丘 平原微丘 山岭重丘 平原微丘 山岭重丘 平原微丘 山岭重丘 平原微丘 山岭重丘 一般最小半径(m)1000 700 400 200 700 200 400 100 400 100 200 65 100 30 极限最小半径(m)650 400 250 125 400 125 250 60 250 60 125 30 60 15 3、不设超高的最小半径、不设超高的最小半径 所谓不设超高的最小半径是指道路曲线半所谓不设超高的最小半径是指道路曲线半径较大、
24、离心力较小时,汽车沿双向路拱外侧径较大、离心力较小时,汽车沿双向路拱外侧行驶的路面摩擦力足以保证汽车行驶安全稳定行驶的路面摩擦力足以保证汽车行驶安全稳定所采用的最小半径。所采用的最小半径。路面上不设超高,对于行路面上不设超高,对于行驶在曲线外侧车道上的车辆来说是驶在曲线外侧车道上的车辆来说是“反超高反超高”,其横向超高坡度为负值,大小与路拱坡度相同。其横向超高坡度为负值,大小与路拱坡度相同。我国标准中我国标准中所规定的所规定的“不设超高不设超高最小半径最小半径”是取是取0.035,ih(max)=0.015,按式(按式(31)计算并取整得来的。计算并取整得来的。如:当如:当V=100km/h时
25、,时,hiVR1272(三)(三)圆曲线最大半径圆曲线最大半径如前所述,选用圆曲线半径时,在与地形等如前所述,选用圆曲线半径时,在与地形等条件相适应的前提下,应尽可能采用大半径。但条件相适应的前提下,应尽可能采用大半径。但半径大到一定程度时,其几何性质与行车条件已半径大到一定程度时,其几何性质与行车条件已与直线无太大区别,容易给驾驶员造成判断上的与直线无太大区别,容易给驾驶员造成判断上的错误,反而带来不良的后果。所以,错误,反而带来不良的后果。所以,规范规规范规定圆曲线最大半径以不超过定圆曲线最大半径以不超过10000m为宜。为宜。第四节第四节缓和曲线缓和曲线TransitionCurve 在
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