第6章道路勘测设计课程.pptx
第1页/共92页第2页/共92页龙潭河特大桥龙潭河特大桥第3页/共92页马水河特大桥马水河特大桥第4页/共92页清江特大桥清江特大桥第5页/共92页四渡河特大桥四渡河特大桥第6页/共92页铁罗坪特大桥铁罗坪特大桥第7页/共92页支井河特大桥支井河特大桥第8页/共92页6.1.2 平面线形设计的基本要求研究汽车行驶规律是道路设计的基本课题现代道路的主要服务对象是汽车1、轨迹线应连续，在任一点上不出现错头、折点或间断2、轨迹线的曲率是连续的，即轨迹上任何一点不出现两个曲率值3、轨迹线的曲率对里程或时间的变化率是连续的，即轨迹上任一点不出现两个曲率变化率值汽车行驶轨迹在几何性质上有以下特征第9页/共92页满足前述第1条不满足 第2条的平面线形不满足前述 第1条 的平面线形第10页/共92页满足第1条及第2条平面线形图6-3所示平面线形的曲率变化率是不连续的，理论上说，这种线形仍然不符合汽车行驶轨迹，但它与汽车的行驶轨迹偏离不大。为便于设计和施工，现代高等级道路一般都采用图示类型的平面线形，即曲率连续的平面线形，尽管它是不完全可循的，但实践证明却是很好的线形满足第1条及第2条平面线形第11页/共92页第12页/共92页第13页/共92页第14页/共92页第15页/共92页平面线形要素 行驶中的汽车其导向轮（或转向轮）旋转面与车身纵轴面之间有下列三种关系 现代道路平面线形正是由上述三种基本几何线形即直线、圆曲线和缓和曲线的合理组合而构成，称之为“平面线形三要素”。在低速道路上，为简化设计，也可以只使用直线和圆曲线两种要素。近代高速公路平面线形也有只用曲线不用直线或者曲线为主直线为辅的工程实例。这就说明平面线形三要素是基本组成，各要素所占比例及使用频率并无统一规定。各要素使用合理、配置得当，均可满足汽车行驶要求。至于它们的参数则要视地形情况和人的视觉、心理、道路技术等级等条件来确定 夹角角度为零 夹角角度为常数 夹角角度为变数 曲率为零（曲率半径为无穷大）的线形：直线 曲率为常数（曲率半径为常数）的线形：圆曲线 曲率为变数（曲率半径为变数）的线形：缓和曲线（回旋线）第16页/共92页平面线形要素 行驶中的汽车行驶中的汽车导向轮（或转向轮）旋转面与车身纵轴面之间有下列三种关系导向轮（或转向轮）旋转面与车身纵轴面之间有下列三种关系 现代道路平面线形正是由上述三种基本几何线形即直线、圆曲线和缓和曲线的合理组合而构成，称之为“平面线形三要素”直线夹角角度为零 曲率为零（曲率半径为无穷大）的线形圆曲线夹角角度为常数 曲率为常数（曲率半径为常数）的线形缓和曲线夹角角度为变数 曲率为变数（曲率半径为变数）的线形第17页/共92页直线的特点（优点）公路和城市道路中使用最为广泛给人以简捷、直达的印象，在美学上也有其视觉特点汽车在直线上行驶受力简单，方向明确，驾驶操作简易测设上方便直线的特点（缺点）长直线线形大多数情况下难于与地物、地形相协调、吻合过长的直线容易使驾驶人员感到单调、疲倦，难以准确目测车间距离，过长的直线产生尽快驶出直线的急燥情绪，易超速，导致交通事故在运用长直线线形时须持谨慎态度，不宜过长第18页/共92页（1）不受地形、地物限制的平坦地区或山涧谷地，例如戈壁滩、草原、大平原等（2）市镇及其近郊，或规划方正的农耕区等（3）长大桥梁、隧道等构造物路段（4）路线交叉点及其前后路段（5）双车道公路提供超车的路段 6.2.2 6.2.2 直线的运用直线的运用 第19页/共92页（德国和日本规定直线的最大长度（以米计）为20（是计算行车速度，用km/h表示），苏联为8km，美国为3mile（4.83km）。原则：道路线形应该与地形相适应，与景观相协调，不强求长直线，也不硬性去掉直线而设置曲线。“长直线”的量化是一个需要研究的课题 第20页/共92页对不同路段、行驶车速在100km/h驾驶人员和乘客心理反应和感受进行调查，有如下结果：（1）位于城市附近的道路，作为城市干道的一部分，由于路旁高大建筑和多彩的城市风光，无论路基高低均被纳入人视线范围，驾驶员和乘客无直线过长希望驶出的不良反应。（2）位于乡间平原区的公路，随季节和地区不同，驾乘人员有不同反应。北方的冬季，绿色枯萎，景色单调，太长的直线使人情绪受到影响。夏天稍许改善一些，但驾驶人员加速行驶、希望尽快驶完直线的心理普遍存在。（3）位于大戈壁、大草原的公路，直线长度可达数十公里，司乘人员极度疲劳，车速超过设计速度很多，但在这种特殊的地形条件下，除了直线别无其它选择，人为设置弯道不但不能改善其单调，反而增加路线长度。第21页/共92页考虑到线形的连续和驾驶的方便，相邻两曲线之间应有一定的直线长度直线的最小长度直线的最小长度同向曲线间的直线最小长度 行车速度愈高，司机注视点愈远，这个距离在数值上大约是行车速度（以km/h计）的6倍（以m计）公路路线设计规范和城市道路设计规范推荐同向曲线之间的最短直线长度以不小于6V为宜在受到条件限制时，宜在同向曲线之间插入大半径曲线或将两曲线做成复曲线、卵形曲线或C形曲线 第22页/共92页反向曲线间的直线最小长度 公路路线设计规范和城市道路设计规范规定反向曲线间最小直线长度（以米计）以不小于行车速度(以km/h计)的2倍为宜若反向曲线分别已设缓和曲线，在受到限制的地段也可将两反向缓和曲线首尾相接，但被连接的二缓和曲线和圆曲线宜满足一定的条件 第23页/共92页CJJ 3790规范（城市道路）D20-2006（公路规范）第24页/共92页各级公路和城市道路不论转角大小均应设置平曲线，而圆曲线是平曲线中的主要组成部分。圆曲线几何元素（图6-6）为：圆曲线的几何元素圆曲线的几何元素 式中：T 切线长（m）L 曲线长（m）E 外距（m）J 超距或校正值（m）R 圆曲线半径（m）转角（度）第25页/共92页行驶在平面圆曲线上的汽车由于受离心力作用，其横向稳定性（横向滑动或者横向倾覆）受到影响，而离心力的大小又与圆曲线半径密切相关，半径愈小愈不利，所以在选择圆曲线半径时应尽可能采用较大的值，只有在地形或其它条件受到限制时可使用较小的曲线半径。圆曲线半径圆曲线半径 公式与因素 根据汽车行驶在曲线上力的平衡式可得：（见第5章推导）公式相关参数对圆曲线半径R的影响分析如下：第26页/共92页关于横向力系数 横向力的存在对行车产生种种不利影响，越大越不利，表现在以下几方面: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路面上横向滑移，这就要求横向力系数低于轮胎与路面之间的横向摩阻系数f，(f)的困难驾驶操纵增加弯道上行驶的汽车，在横向力作用下，弹性的轮胎会产生横向变形，它的存在增加了汽车在方向操纵上的困难和轮胎磨损燃料消耗增加 的存在使得行驶车辆的燃料消耗和轮胎磨损增加。国外有关的实测资料 见书表6-1第27页/共92页关于横向力系数 行旅不舒适值过大，会增加驾驶者在弯道行驶中的紧张感。对于乘客来说，值的过大，会使人感到不舒适。据实验，乘客随的变化其心理反应如下：当第34页/共92页缓和曲线是道路平面线形要素之三，它是设置在直线与圆曲线之间或半径相差较大的两个转向相同的圆曲线之间的一种曲率连续变化的曲线公路工程技术标准规定，除四级路可不设缓和曲线外，其余各级公路都应按要求设置缓和曲线；现代高速公路，有时缓和曲线所占的比例超过了直线和圆曲线，成为平面线形的主要组成部分；城市道路上，缓和曲线也被广泛地使用，城市道路设计规范规定当设计车速40km/h时应按要求设置缓和曲线。下面就缓和曲线的性质、参数、长度、设计方法等加以讨论：第35页/共92页缓和曲线的作用与性质缓和曲线的作用与性质 缓和曲线的作用 曲率连续变化，便于车辆遵循 离心力逐渐变化，旅客感觉舒适 离心力逐渐变化，行车更加平稳与圆曲线配合得当，增加线形美观 第36页/共92页缓和曲线的作用与性质缓和曲线的作用与性质 缓和曲线的作用 图6-7 直线与曲线连接效果图第37页/共92页缓和曲线的性质 如右图：设汽车前轮转向角为(rad)、汽车重心轨迹的曲率半径为r(m)，则近似有：=A/r=Ak 式中：A汽车前后轴的距离（m）k汽车轨迹线的曲率（1/m）汽车作直线行驶时，k=0，因而=0；汽车在半径为R的圆曲线上行驶时k=1/R,=A/R；汽车的轨迹不可能由直线直接过渡到圆曲线或由圆曲线直接过渡到直线，因为有一个渐变的过程，这样才实现了直线与圆曲线的过渡第38页/共92页推证说明，汽车匀速从直线进入圆曲线（或相反）时，其行驶轨迹的弧长与曲线的曲率半径之乘积为一常数。这一性质与数学上的回旋线正好相符 第39页/共92页回旋线作为缓和曲线回旋线作为缓和曲线 回旋线的数学表达式 回旋线是公路路线设计中最常用的一种缓和曲线；我国公路工程技术标准和城市道路设计规范均规定缓和曲线采用回旋线 k工程设计中可由已知2个条件求解另一个未知量第40页/共92页推导时对照简图第41页/共92页回旋线的几何要素任一点P处的曲率半径 rP点的回旋线长 l缓和曲线角 P点曲率圆的内移值 pP点曲率圆圆心的M点坐标 长切线长 TL短切线长 TsP点的弦长a P点的弦偏角各要素的计算公式 第42页/共92页有缓和曲线的道路平曲线几何元素 道路平面线形三要数的基本组成是：直线回旋线圆曲线回旋线直线，这种组合也称作平曲线的“基本型”。见图6-12第43页/共92页对应图612，基本型平曲线，其几何元素的计算公式如下：第44页/共92页回旋线的相似性 回旋线的曲率是连续变化的，而且曲率的变化与曲线长度的变化呈线形性关系。回旋线的形状只是一种只需改变参数A就能得到不同大小的回旋曲线，A相当于回旋线的放大系数。回旋线的这种相似性对于简化其几何要数的计算和编制曲线表很有用处。A=1时的回旋曲线叫单位回旋曲线。根据相似性，由单位回旋曲线要素计算任意回旋曲线的要素。各要素中，分长度要素（如切线长、曲线长、内移值、直角坐标等）非长度要素（如缓和曲线角、弦偏角)两类它们的计算方法为：回旋线长度要素 =单位回旋线长度要素A 回旋线非长度要素 =单位回旋线非长度要素。其中单位回旋线要素可直接查专用的“曲线用表”得到第45页/共92页其它形式的缓和曲线其它形式的缓和曲线 三次抛物线双扭线第46页/共92页缓和曲线的长度及参数缓和曲线的长度及参数 缓和曲线的最小长度 旅客感觉舒适 汽车行驶在缓和曲线上，其离心加速度将随着缓和曲线的变化而变化，若变化过快，将会使旅客有不舒适的感觉 当取as“适当的最大值”时便可推求缓和曲线最小长度 Ls第47页/共92页超高渐变率适中 公路路线设计规范规定了适当的超高渐变率，由此可导出计算缓和段最小长度的公式 式中：B 道路超高横断面旋转轴至车行道路缘带外侧边缘的宽度（m）i 超高横坡度与路拱坡度的代数差p 适当的超高渐变率，即旋转轴线与车行道外侧边缘线之间的相对坡度 第48页/共92页行驶时间不过短 缓和曲线不管其参数如何，都不可使车辆在缓和曲线上的行驶时间过短而使司机驾驶操纵过于匆忙。一般认为汽车在缓和曲线上的行驶时间至少应有3s行程,可得：第49页/共92页公路工程技术标准 CJJ 3790规范 城市道路第50页/共92页回旋曲线参数的确定 按离心加速度的变化率来确定回旋线的最小参数 限定离心加速度的变化率as，则可按左式求出最小参数 Amin按车辆在缓和曲线上的行驶时间不能太短、超高变化率适中等条件，同样可以得出回旋线的最小参数 第51页/共92页根据线形顺适与美观要求，按圆曲线半径的大小来确定缓和曲线最小参数Amin 当回旋线很短，其回旋线切线角（或称缓和曲线角）在3左右时，曲线极不明显，在视觉上容易被忽略。但回旋线过长、大于29时，圆曲线与回旋线不能很好协调。因此，从适宜的缓和曲线角=329这一区间可以推导出合适的A值 当R在100m左右时，通常A=R；如果R小于100m，选择A等于R或大于R。在圆曲线较大时，可选择A在左右，如R超过了3000m，即使A小于R/3，在视觉上也是没有问题的 第52页/共92页缓和曲线的省略直线和圆曲线之间设置缓和曲线后，圆曲线在原来与直线相切的基础上产生了一个内移值p，在缓和曲线长度Ls 一定的情况下，p与圆曲线半径成反比，当R大到一定程度时，p值甚微，即使直线与圆曲线径相联接，汽车也能完成缓和曲线的行驶，因为在路面的富余宽度中已经包含了这个内移值 第53页/共92页在直线与圆曲线间，当圆曲线半径大于或等于“不设超高的最小半径”半径不同的同向圆曲线径相连接处，当小圆半径大于或等于“不设超高的最小半径”时半径不同的同向圆曲线径相连接处，小圆半径大于“公路复曲线中小圆临界曲线半径”中所列半径，且符合一定条件时 公路路线设计规范满足下列情况下可不设回旋线 第54页/共92页 小圆半径大于或等于不设缓和曲线的最小圆曲线半径 小圆半径小于不设缓和曲线的最小圆曲线半径，但大圆与小圆的内移值之差小于或等于0.1m 大圆半径与小圆半径之比小于或等于1.5 城市道路设计规范受地形限制并符合下述条件之一时，可省略缓和曲线 第55页/共92页设设计计一一般般原原则则 平面线形简捷、连续，与地形、地物相适应，与周边环境相协调 第56页/共92页在满足行驶力学基本要求的前提下，高速路应尽量满足视觉和心理上的要求 第57页/共92页保持平面线形的均衡与连贯 不出现技术指标的突变。充分注意：长直线尽头不能接一小半径曲线 高、低标准之间要有过渡第58页/共92页应避免连续急弯的线形 连续急弯的线形会给驾驶者造成极大不便，给乘客的舒适性也带来不良影响。设计时可在曲线间插入足够长的直线或回旋线加以过渡 第59页/共92页平曲线应有足够的长度 平曲线太短，汽车在曲线上行驶时间过短会使驾驶操纵来不及调整第60页/共92页表6-8表6-9公路路线设计规范第61页/共92页表6-10表6-11表6-11 CJJ 3790规范 城市道路第62页/共92页第63页/共92页答案：大楼业主是一个钉子户以前这块土地的所有者，想1983年建大楼，但当时的城市规划已经确定高速公路会从这儿过，所以他们拿不到建筑许可。土地所有者和高速公路一方交涉了5年，最后达成的协议就是让高速路贯穿大楼。大楼最终于1992年竣工，5-7楼租给了高速公路日本最牛钉子户大阪高速公路穿越一栋高楼第64页/共92页平面线形要素的组合类型平面线形要素的组合类型 按直线回旋线圆曲线回旋线直线 组合形式称作基本型，两回旋线参数可以相等，也可以非对称型宜将回旋线、圆曲线、回旋线之长度比设计成111 基本型 第65页/共92页两个反向圆曲线用两段回旋线连接的组合形式称作S型型 S型两圆曲线半径之比不宜过大，以R2/R1=11/3为宜第66页/共92页用一个回旋线连接两个同向圆曲线的组合形式称作卵型卵型 两圆曲线半径之比宜在下列界限之内 两圆曲线的间距，宜在下列界限之内 第67页/共92页在两个同向回旋线间不插入圆曲线而径相衔接的基本型的特例凸型的回旋线的参数及其连接点的曲率半径，应分别符合容许最小回旋线参数和圆曲线一般最小半径的规定凸型曲线在各衔接处的曲率是连续的，但中间圆曲线的长度为，对驾驶操纵造成不利因素，只有在路线受地形、地物限制处方可用凸型 凸型 第68页/共92页复合型 复合型回旋线除了受地形和其它特殊限制的地方外一般很少使用，多出现在互通式立体交叉的匝道线形设计中 同向曲线的两回旋线在曲率为零处径相衔接的形式型 C型曲线其连接处的曲率为，也就是R=，相当于两基本型的同相曲线中间直线长度为的情形，它对于行车和线形外观来说都存在不利影响，C只在有特殊地形条件下方可采用 两个以上同向回旋线间在曲率相等处相互连接的形式第69页/共92页为了行车安全，驾驶人员应能随时看到汽车前面相当远的一段路面，一旦发现前方道路上有障碍物或迎面来车，能及时采取措施，避免相撞，这一必须的最短距离称为行车视距第70页/共92页驾驶员发现障碍物或迎面来车，根据采取措施的不同，分以下几种行车视距：汽车行驶时，自驾驶人员看到前方的障碍物起，至到达障碍物前安全停止，所需的最短距离 停车视距在同一车道上两对向汽车相遇，从相互发现起，至同时采取制动措施使两车安全停止，所需的最短距离 会车视距在双车道公路上，后车超越前车时，从开始驶离原车道之处起，至可见逆行车并能超车后安全驶回原车道止，所需的最短距离 超车视距第71页/共92页停车视距是指驾驶人员发现前方有障碍物到汽车在障碍物前停车所需要的最短距离。停车视距可分解为反应距离、制动距离和安全距离三个部分来研究 停车视距 反应距离 可分为“感觉时间”和“反应时间”来分析并可用实验方法来测定。总时间t=2.5s，在这个时间内汽车行驶的距离为：第72页/共92页制动距离 是指汽车从制动生效到汽车完全停住，这段时间内所走的距离，为：安全距离 通常取S3=510m，故停车视距合计为为：第73页/共92页计算停车视距所采用的应是能充分保证行车安全的数值，一般按路面在潮湿状态下的值计算行驶速度V取值方法：设计速度为120 80/h时，采用设计速度的85%、60 40/h时，采用设计速度的90%、30 20/h采用原设计速度 城市道路公路路线设计规范JTG D602006 CJJ 3790规范 第74页/共92页超车视距 第75页/共92页超车视距的全程可分为四个阶段：加速行驶距离S1 当超车汽车经判断认为有超车的可能，于是加速行驶移向对向车道，在进入该车道之前的行驶距离为S1 超车汽车在对向车道上行驶的距离S2 超车完成后，超车汽车与对向汽车之间的安全距离S3 这个距离视超车汽车和对向汽车的行驶速度不同采取不同的数值，一般取：超车汽车从开始加速到超车完成了时对向汽车的行驶距离S4 四个距离之和是比较理想的全超车视距，即：第76页/共92页第77页/共92页公路路线设计规范JTG D602006第78页/共92页完成路线平面设计以后应即时清绘各种图纸和表格 路线平面设计图 主要的图纸路线交叉设计图 道路平面布置图 纸上移线图 用地平面图 直线、曲线及转角表 主要的表格路线交点坐标表 逐桩坐标表 路线固定表 总里程及断链桩号表 公路路线设计各种图纸和表格的样式在交通部所颁布的“设计文件图表示例”中有介绍，这里仅就主要的表格“直线、曲线及转角一览表”、“逐桩坐标表”和主要的图纸“公路路线平面设计图”及“城市道路平面设计图”予以说明 第79页/共92页直线、曲线及转角一览表例链接本表全面反映了路线的平面位置和路线平面线形的各项指标，它是道路设计的主要成果之一。只有在完成“直线、曲线及转角一览表”以后，才能据此计算“逐桩坐标表”和绘制“路线平面设计图”，同时在作路线的纵断面设计、横断面设计和其它构造物设计时都要使用本表的数据高等级公路的线形指标高，表现在平面上是圆曲线半径较大，缓和曲线较长，在测设和放样时须采用坐标法，方能保证其测量精度。所以计算一份“逐桩坐标表”是十分必要的。逐桩坐标表例链接直线、曲线及转角一览表直线、曲线及转角一览表 逐桩坐标表逐桩坐标表 第80页/共92页公路 路线平面设计图例链接路线平面设计图是道路设计文件的重要组成部分。该图全面、清晰地反映了道路平面位置和经过地区的地形、地物等，它是设计人员设计意图的重要体现。平面设计图无论对提供有关部门审批、专家评议、日后指导施工、恢复定线等方面都有重要作用 路线平面设计图路线平面设计图城市道路 平面设计图例链接公路平面城市道路平面第81页/共92页公路 路线平面图的内容及绘制方法 导线及道路中线的展绘 控制点的展绘 各种构造物的测绘 水系及其附属物的测绘 地形、地貌、植被、不良地质地带等均应详细测绘并用等高线和国家测绘局制定的“地形图图式”符号及数字注明 第82页/共92页城市道路平面图的内容及绘制方法 规划红线 坡口、坡脚线或挡土墙边缘线 车道线 人行道、人行横道线、交通岛 地下管线及设施 交叉口第83页/共92页求曲线元素。首先求转角(见右图)设JD0与JD1的连线、JD1与JD2的连线（即导线）的方向角为1、2则1800（12）根据三角关系可得：1 arctan（X1/Y1）2 arctan（X2/Y2）-可求得1 70.8010,2 11.4900=1282.2910方向角约定：正北方与直线所围成的锐角其角度范围090度某山岭区二级公路，JD0、JD1、JD2的坐标依次为：（40961.914,91066.103）、（40433.528,91250.097）、（40547.416,91810.392）已知JD1的半径为 R=150m，Ls=40m求：曲线元素及主要里程和坐标方向角方向角导线转角正北方导线第84页/共92页求出转角a后，再根据已知条件和已推导的公式，如上，求出基本参数第85页/共92页转角:=82.291度 切线增值:q=ls/2-ls3/(240R2)=40/2-403/(240 1502)=19.988m曲线内移值:p=ls2/(24R)=402/(24150)=0.444m 缓和曲线终点缓和曲线角：0=ls/(2R)180/=40180/(2 150 3.14)=7.639度切线长：T=(R+P)tan(/2)+q=151.438m曲线长：外距：超距：第86页/共92页设JD0（起点）桩号为K0000，则JD1桩号为L0-1=JD1点桩号:K0559.505 T（151.438m）ZH点桩号：K0+408.067 Ls（40 m）HY点桩号：K0+448.067 Ly/2（L/2Ls)87.718 m）QZ点桩号：K0+535.785 Ly/2（L/2Ls)87.718 m）YH点桩号：K0+623.503 Ls（40 m）HZ点桩号：K0+663.503 利用超距校对QZ点桩号K0+535.785 J/2（23.72m）K0559.505JD1点桩号相对应即前面计算正确第87页/共92页方位角定义：由正北方按顺时针旋转至直线所围成的角度方位角的角度范围0360度求曲线特征点坐标第88页/共92页求曲线特征点坐标接上页第89页/共92页1、什么叫道路的平面线形？分别写出组成平面线形的三种基本几何线形的数学表达式。2、汽车行驶轨迹在几何性质上的特征有哪些？3、平面线形中最小圆曲线半径的确定应考虑哪些因素？4、道路设计中缓和曲线的功能有哪三方面？如何控制缓和曲线的性能？5、什么叫行车视距？行车视距分哪些类型？高速公路或城市快速路在设计中应采用哪一类行车视距？7、分别简述公路、城市道路平面设计图的基本内容，试比较它们的异同点 思考题第90页/共92页术语、名词路线 路线设计 平面线型三要素直线、圆曲线、缓和曲线 回旋线 回旋线参数 超高渐变率 六种组合类型 行车视距道路平面设计图第91页/共92页感谢您的观看！第92页/共92页
