内容简介本书全面 系统地介绍了公路与城市道路勘测设计的基本理论与实用方法 主要内容包括汽车行驶特性 道路平 纵 横断面设计 道路选定线方法 道路交叉设计 公路与城市道路排水设计 道路计算机辅助设计以及公路建设项目可行性研究和小桥涵勘测设计方法等 本书可作为土木工程专业及交通工程专业的专业教材 也可供

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1 中国科学院教材建设专家委员会教材建设立项项目 全国普通高等院校土木工程类实用创新型系列规划教材 道路勘测设计 第二版 张志清 主编朱照宏 主审 科学出版社职教技术出版中心 北 京

2 内容简介本书全面 系统地介绍了公路与城市道路勘测设计的基本理论与实用方法 主要内容包括汽车行驶特性 道路平 纵 横断面设计 道路选定线方法 道路交叉设计 公路与城市道路排水设计 道路计算机辅助设计以及公路建设项目可行性研究和小桥涵勘测设计方法等 本书可作为土木工程专业及交通工程专业的专业教材 也可供从事公路 城市道路的设计和科研人员参考 图书在版编目 数据 道路勘测设计 张志清主编 版 北京 科学出版社 全国普通高等院校土木工程类实用创新型系列规划教材 道 张 道路测量 高等学校 教材 道路工程 设计 高等学校 教材 中国版本图书馆 数据核字 第 号 责任编辑 任加林 责任校对 马英菊 责任印制 吕春珉 封面设计 耕者设计工作室 出版 北京东黄城根北街 号邮政编码!"#$$$%&'&#& 铭浩彩色印装有限公司印刷科学出版社发行 各地新华书店经销 年 月第 一 版 开本 年 月第 二 版 印张 年 月第六次印刷 字数 定价 元 如有印装质量问题 我社负责调换 环伟 销售部电话 编辑部电话 () 版权所有 侵权必究 举报电话

3 全国普通高等院校土木工程类实用创新型系列规划教材编委会 主 任 霍 达 副主任 按姓氏笔画排序 秘书长 张志清 周 云 阎兴华 童安齐 委 员 按姓氏笔画排序 白晓红 石振武 刘继明 何淅淅 何舒民 张文福 张延庆 张志清 沈 建 周 云 周亦唐 宗 兰 徐向荣 阎兴华 翁维素 傅传国 程赫明 韩建平 童安齐 雷宏刚 霍 达 科学出版社职教技术出版中心

4 第二版前言 本书第一版自 年 月发行以来 每年重印 已连续印刷五次 总发行 量超过 册 成为全国高等院校土木工程专业及相关专业的主选教材 之一 年来 第一版经过土木工程专业及相关专业师生的共同使用 其内容的实用性 知识的先进性和编排的系统性得到体现 编写的弹性教学内容能够较 好地为教学提供平台 有利于教师主导教学和学生的自学 实用创新 的编写 初衷基本达到 随着新标准的更新和新技术的应用 作者及时汲取了本专业发展中的新 技术 在教与学的过程中发现了第一版的错误和不足 因而对其进行了修订 第二版与第一版相比 在总体框架和主要内容方面未做重大改变 主要是技术 内容的修改和更新 本书由张志清担任主编并进行全书统稿 周亦唐和杨林为副主编 同济大 学朱照宏教授担任主审 指正 感谢同济大学朱照宏教授的悉心指导和潘晓东教授的耐心帮助 限于编者水平 本书难免存在欠妥之处 恳请有关院校师生及读者批评 张志清 年 月

5 第一版前言 年 月教育部对本科专业目录进行调整 要求培养宽口径复合型人 才 交通土建专业统一以土木工程专业招生 为适应 世纪对人才的需求 顺应高等教育改革的形势 高等院校更加注重培养具备基本素质 基本技能的 实用创新型人才 考虑到各类高等院校发展的不平衡及教学时数的紧缩 本 教材在新颁布的 公路工程技术标准 及 公路路线设计规范 *+, - 的基础上 对以往教材中内容陈旧 明显落后于生产实践的部分进行了 删减 同时注意先进性与实用性的协调和新规范 新成果的引用 编写了弹性 教学内容 为教学提供了有利于教师主导教学和学生自学的平台 本书的主要特点是更加注重内容的实用性 知识的先进性和编排的系统 性 如第六章 道路选线与定线 将选线和定线编在一起 突出了道路选定线 工作的连贯性 并增加了旧路改扩建设计 特殊地区和不良地质地区道路设计 的选定线方法及 技术在道路选定线中的应用等新的实用内容 第七章 道 路平面交叉设计 在编排组织上也有较大改进 增补了第九章的 道路排水设 计 使内容更加全面 第十章 道路计算机辅助设计 较以往有较大更新 特别 是对现代化的道路勘测设计方法有较详细的阐述 本书编入的附录 有利于学 生在生产实习时作为参考材料 总之 本教材较以往同类教材在 少而精 新 而全 诸方面做了努力 力争做到重点突出 实用创新 对学时分配的建议 总学时不超过 学时 实际讲课 学时 包括需要 学生重点掌握的 学时和重点理解的 学时 并结合生产实习 安排 学 时自学 在此基础上再安排一定的工程实践课 周的课程设计 包括 周 的公路设计和 周的城市道路设计 及 周的生产实习 科学出版社职教技术出版中心 北京工业大学张志清负责全书的统稿 同济大学道路工程系朱照宏教授 对全书进行了详细审阅 并提出了许多宝贵的意见 本教材具体编写分工如 下 张志清编写第一章 第六章第. 节和. 节 第十章第. 节. 节 的... 小节.. 节 昆明理工大学周亦唐编写第二 九 章 内蒙古工业大学崔亚楠编写第三 四 五章 东北林业大学杨林编写第六章 第... 节 北京建筑工程学院张蕊编写第七 八章 兰州理工大

6 '/ 道路勘测设计 第二版 学刘汉青编写第六章第. 节及附录一 昆明理工大学费维水编写第十章第. 节的.. 小节及附录二 在编写本教材过程中参考了有关标准 规范和论著 特别是得到同济大学朱照宏教授和潘晓东教授的热情帮助 在此表示衷心的感谢 由于编者水平有限 书中难免有不妥之处 敬请读者批评指正 反馈信箱 0!10!'' "&

7 目 录 第二版前言第一版前言第一章 绪论. 交通运输系统组成与道路运输的特点.. 交通运输系统组成.. 道路运输的特点与发展概况. 道路的基本组成.. 线形组成.. 结构组成.. 沿线设施. 道路的分类 分级与技术标准.. 道路的分类.. 公路分级与技术标准.. 城市道路分类与技术标准. 道路勘测设计程序.. 公路基本建设程序.. 公路勘测设计程序. 道路勘测设计依据.. 技术依据.. 自然条件.. 交通条件.. 道路网规划. 本课程研究的主要内容及教学建议.. 本课程研究的主要内容.. 本课程教学建议 思考题 第二章 汽车行驶理论. 概述.. 研究汽车行驶理论的意义.. 汽车在道路上的行驶轨迹.. 汽车的行驶性能. 汽车的牵引力与牵引平衡.. 汽车行驶中的受力分析.. 牵引力的产生及传递.. 汽车的行驶阻力 科学出版社职教技术出版中心

8 /' 道路勘测设计 第二版.. 汽车的牵引平衡和行驶条件.. 动力性能分析. 汽车在道路上行驶的稳定性.. 汽车行驶的纵向稳定性.. 汽车行驶的横向稳定性.. 汽车行驶的纵横组合向稳定性. 汽车的制动性能.. 汽车的制动过程分析.. 制动时汽车的运动方程.. 汽车制动性能的评价指标 思考题 第三章 平面设计. 概述.. 路线平面的基本线形.. 平面线形设计的基本要求. 直线.. 直线的特点.. 直线的运用.. 直线的长度. 圆曲线.. 圆曲线的线形特征.. 汽车在圆曲线上的行驶特性.. 圆曲线的半径和长度. 缓和曲线.. 缓和曲线的线形特征与作用.. 汽车在缓和曲线上的行驶特性分析.. 缓和曲线的长度及参数的设计标准. 平面线形组合设计.. 平面线形设计的一般原则.. 平面线形的组合设计. 行车视距.. 视距的定义.. 视距的确定与视距的应用. 道路平面设计成果.. 公路路线平面设计图.. 城市道路平面设计图 思考题 习题 第四章 纵断面设计. 概述

9 目 录 /'.. 路线纵断面的基本线形.. 路线纵断面线形设计的基本要求. 纵坡及坡长设计.. 坡度设计.. 坡长设计.. 缓和坡段.. 其他纵坡标准. 竖曲线.. 竖曲线的作用和性质.. 竖曲线的最小半径.. 竖曲线设计. 道路平 纵线形组合设计.. 线形组合设计要点.. 线形组合设计方法. 爬坡车道.. 设置爬坡车道的条件.. 爬坡车道的设计. 纵断面设计要点与方法.. 纵断面设计要点.. 纵断面设计方法与步骤. 城市道路纵断面设计要求及锯齿形街沟设计.. 城市道路纵面设计要求.. 锯齿形街沟设计. 道路纵断面设计成果.. 公路路线纵断面设计图.. 城市道路纵断面设计图 思考题 习题 第五章 横断面设计. 概述. 道路横断面组成.. 公路横断面组成.. 城市道路横断面组成. 行车道宽度.. 公路行车道宽度的确定.. 城市道路的行车道宽度. 曲线的超高 加宽与视距保证.. 曲线超高.. 曲线加宽.. 视距保证 科学出版社职教技术出版中心

10 /' 道路勘测设计 第二版. 道路建筑限界与道路用地.. 道路建筑限界.. 道路用地. 横断面设计方法.. 公路横断面.. 城市道路横断面设计. 路基土石方数量计算及调配.. 横断面面积计算.. 土石方数量计算.. 路基土石方调配思考题 习题 第六章 道路选线与定线. 概述.. 选线的原则.. 选线的步骤和方法.. 路线方案的比选. 不同地形条件下路线走向的选择.. 平原区选线.. 山岭区选线.. 丘陵区选线. 特殊地区和不良地质地区路线走向的选择.. 特殊地区道路选线.. 不良地质地区道路选线. 定线方法.. 纸上定线.. 实地放线.. 直接定线.. 航测定线. 改扩建道路选 定 线设计方法实例分析.. 改扩建道路选 定 线的基本方法.. 提高原路线形标准选 定 线方法实例分析. 技术在道路选定线中的应用.. 技术简介.. 技术在道路选定线中的应用. 城市道路网规划.. 城市道路网规划的基本要求.. 城市道路网结构形式.. 城市道路网规划主要技术指标.. 城市道路网规划设计的一般程序

11 目 录 '2 思考题 第七章 道路平面交叉设计. 概述.. 交叉口的类型及其适用条件.. 交叉口的交通运行特征分析.. 交叉口设计的基本要求和内容. 交叉口的交通组织设计及参数确定.. 车辆交通组织方法.. 行人及非机动车交通组织.. 设计车速 通行能力及车道数的确定. 交叉口平面设计.. 交叉口设计的基本原则.. 交叉口的几何设计.. 环形交叉口设计方法和步骤. 交叉口的竖向设计.. 交叉口竖向设计的要求和原则.. 交叉口竖向设计的基本类型.. 交叉口竖向设计的方法与步骤思考题 习题 第八章 道路立体交叉设计. 概述.. 立体交叉的组成 分类及适用条件.. 立交设计的基本要求与主要内容. 立体交叉的规划与选型.. 立体交叉的布置规划.. 立体交叉的形式选择. 立体交叉的主要线形设计.. 主线线形设计.. 匝道的线形设计.. 端部线形设计.. 立体交叉综合设计的方法与步骤思考题 第九章 道路排水设计. 概述.. 公路排水系统.. 城市道路排水系统. 公路排水设计.. 公路排水设计的一般要求.. 公路地表排水 科学出版社职教技术出版中心

12 2 道路勘测设计 第二版.. 公路地下排水. 城市道路排水设计.. 排水系统的制度.. 城市道路排水设计的一般要求.. 雨水管道及其构造物沿道路的布置.. 雨水管渠水文 水力计算.. 雨水管道计算示例 思考题 第十章 道路计算机辅助设计. 概述.. 国外道路 )- 新技术的现状与发展趋势.. 国内道路 )- 新技术的开发和应用概况.. 道路 )- 新技术的发展前景. 地形数据的采集与处理.. 地形数据采集的分类与特点.. 地形图数字化采集地形数据.. 全站仪采集地形数据.. 航测数据的采集.. 全球定位系统, 数据采集. 数字地面模型的建立.. 数字地面模型的类型及特点.. 数字地面模型的建立.. 数字地面模型在道路设计中的应用. 道路路线计算机辅助设计.. 系统的总体设计.. 路线的平 纵 横设计.. 路线设计图表的自动生成. 公路透视图的绘制及设计成果的三维动态实时显示.. 道路透视图的绘制.. 道路透视图三维动画实时显示. 道路测设一体化.. 现状评述.. 道路测设一体化集成系统.. 道路测设一体化与,. 国外优秀道路软件简介.. 德国 )3- 软件.. 美国 "441#! 公司的 31% 软件.. 英国 5631 软件.. 其他一些外国软件简介 附录一 公路建设项目的可行性研究 附. 可行性研究的基本概念

13 目 录 2' 附. 可行性研究的编制阶段 附. 可行性研究的任务与要求 附. 公路建设项目可行性研究的主要内容及编制步骤 附. 公路建设项目交通量评价 附. 项目经济评价 附. 公路建设项目可行性研究编制中应注意的问题 附录二 小桥涵勘测设计 附. 小桥涵位置和类型的选择 附.. 小桥涵位置选择 附.. 小桥涵类型选择附. 小桥涵设计流量及孔径确定 附.. 水文资料调查及流量计算 附.. 孔径计算附. 小桥涵外业勘测 附.. 桥涵位置测量 附.. 桥涵地质调查 主要参考文献 科学出版社职教技术出版中心

14 第一章 绪 论 交通运输系统组成与道路运输的特点 交通运输系统组成 交通运输作为国民经济的基础产业之一 是联系国民经济各领域及城市和乡村 生产和消费的纽带 是推动社会经济发展和人类文明进步的重要因素 现代交通运输系统是由铁路 公路 水运 航空及管道运输五种方式组成 这些运输方 式在技术经济上各有特点 铁路运输对于远程的大宗客货运输具有明显的优势 水运具 有通过能力高 运量大 耗能小 成本低的优点 但受自然条件限制大 速度慢 航空运输速 度快 但运量小 运价高 管道运输适于运输液态 气态及散装物品 具有连续性强 运输成 本低 损耗少 安全性好的特点 道路运输机动灵活 可以实现门到门的运输 覆盖面广 避 免中转和重复装卸 是综合交通运输系统中最活跃的一种运输方式 道路运输的特点与发展概况 道路运输的特点 道路是国家经济和国防建设的基础设施 道路运输是随着人类社会经济和文化活动的发展而逐步发展起来的 是人类社会经济活动的基本条件之一 道路运输在整个交通 运输系统中也处于基础地位 社会经济水平和交通运输需求决定着道路交通的发展进程 而道路交通也会制约社会经济和交通运输的发展水平 世界各国国民经济的发展进程无不 与道路运输及其发展有着密切的联系 道路运输与其他运输方式相比 主要有以下特点 灵活性 道路运输受固定设施的限制较小 可以自成体系 能够在需要的时间和规定的地点迅速集散货物 而其他运输方式却需要道路运输为其提供集散条件 并通过道 路运输来完成 直达性 道路运输能够深入到客货集散点进行直接运输 而不需要中转 可以大大节约时间和费用 减少损耗 对于短途运输 效益更加显著 公益性 道路通达深度广 覆盖面大 可以到达工矿企业 城乡村镇 受益人群多 社会效益良好 容易受到社会各方面的关注和支持 主导性 随着我国道路网的不断改造和完善 特别是大量高速公路的建成通车 道路客货运量在交通运输体系中所占比重处于绝对优势 道路交通的发达程度已经成为 衡量一个国家经济实力和现代化水平的重要标志 劣势 由于道路运输单位运量较少 行业服务人员和能源消耗较多 导致运输成本偏高 另外道路运输对环境污染较大 治理较为困难 近年来 随着道路等级的逐渐提高 汽车性能的不断改善 以及高新技术在道路运输

15 道路勘测设计 第二版 中的广泛应用 使得道路运输越来越快捷 安全 舒适 方便 道路在国民经济和社会生活 中的地位日益提高 道路运输已成为各国广泛采用的一种主要运输方式 我国道路运输的发展概况 我国道路发展史 我国的道路建设曾经有过辉煌的时期 有着悠久的历史 早在公元前两千多年前 就 有轩辕氏造舟车 到周朝又有 周道如砥 其直如矢 的记载 并将城乡道路按不同等级进 行统一规划 修建了从镐京 周朝初年国都 今西安市西南 通往各诸侯城邑的牛马车道 路 形成了以都城为中心的道路体系 秦始皇统一六国后 大修驰道 东穷燕齐 南极吴 楚 江湖之上 濒海之观毕至 规模宏大 并颁布 车同轨 法令 使道路建设得到较大发 展 西汉时期 前 年 公元 年 汉承秦制 随着城市的兴起和商业的发展 形成了 举世闻名的 丝绸之路 到唐代初步形成了以城市为中心的四通八达的道路网 到清代 全国已形成了层次分明 功能较完善的道路系统 官马大道 大路 小路 分别为 京城到各省城 省城至地方重要城市及重要城市到市镇的三级道路 公元 年 第一辆汽车在德国的 奔驰 公司诞生 开创了公路运输的新纪元 世纪初 汽车输入我国 公路开始发展 年在广西友谊关修建了第一条公路 由于受 战争 灾荒及其他因素的影响 到 年 全国仅有汽车 万辆 公路通车里程 万 中华人民共和国成立以来 我国公路建设取得了巨大的成就 到 年底 我国已建 成公路超过了 万 较新中国成立初期的 年增长了 倍 我国高速公路通车 里程也已经超过 万 继续保持世界第二 特别是 年以来 年均通车里程超过 了 高速公路的发展 极大地提高了我国公路网的整体技术水平 优化了交通结 构 对缓解交通运输的瓶颈制约发挥了重要作用 改革开放以来我国的公路建设取得了巨大成就 但由于公路交通基础薄弱 各地发展 极不平衡 公路建设水平与发达国家相比 仍有很大差距 远远不能满足国民经济的发展 对公路运输的需要 存在的主要问题 一是数量少 二是质量差 等级低 在通车里程 科学出版社职教技术出版中心 中 大部分为等级较低的三 四级公路 还有一部分达不到技术标准的 等外路 三是服 务水平低 由于公路设施不完善 抗灾能力较差 交通量增长迅速 干线公路超负荷运行 平均运行速度低 交通堵塞严重 另外 公路运输市场不规范 公路运输管理较为混乱 因此 在今后相当长的时期内 加快公路建设和公路运输管理是我国公路建设的主要 任务 我国道路发展规划为促进我国交通事业的进一步发展 交通部按照 统筹规划 条块结合 分层负责 联合建网 的方针 制定了公路水运交通发展长远规划 即从 八五 开始用 年左右的时间建成公路主骨架 水运主通道 港站主枢纽和交通支持系统 即 三主一支持 使我国的交通运输能够满足国民经济的需要 争取到 年左右实现交通运输现代化 三主一支持 中的公路主骨架即为国道主干线系统 是由高等级公路组成的快速通道 由 五纵七横 条路线形成 总里程约 万 连接首都 各省 自治区 省会 直辖市 中心城市 主要交通枢纽和重要口岸 如图 所示 其中的 五纵 是

16 第一章 绪 论 图 国道主干线系统

17 道路勘测设计 第二版 由同江经哈尔滨 长春 沈阳 大连 烟台 青岛 连云港 上海 宁波 福州 深圳 广州 湛江 海口至三亚 由北京经天津 济南 徐州 合肥 南昌至福州 由北京经石家庄 郑州 武汉 长沙 广州至珠海 由二连浩特经集宁 大同 太原 西安 成都 内江 昆明至河口 由重庆经贵阳 南宁至湛江 七横 是 由绥芬河经哈尔滨至满洲里 由丹东经沈阳 唐山 北京 呼和浩特 银川 兰州 西宁 格尔木至拉萨 由青岛经济南 石家庄 太原至银川 由连云港经徐州 郑州 西安 兰州 乌鲁木齐至霍尔果斯 由上海经南京 合肥 武汉 重庆至成都 由上海经杭州 南昌 长沙 贵阳 昆明至瑞丽 由衡阳经南宁至昆明 现在这些国道主干线正在建设之中 预计到 年底全部完成 五纵七横 系统中的 高速公路建设 初步形成首都连接东北 华北 华东 华南地区的高速公路通道 对促进经 济和社会发展发挥重要作用 这 条国道主干线将贯通北京和各省市自治区的首府 连 接所有人口超过 万的特大城市和 人口超过 万人的大城市 串联的城市超过 个 约占全国城市的 可见 一个大规模的公路交通建设高潮正在我国兴起 最近完成的全国高速公路网规划 我国将建成布局为 的高速公路网络 即 条射线 条纵线 条横线 总里程约 万 如图 所示 其中 首都至各省会城 市的 条射线总里程约为 万 规划的国家高速公路网将连接所有现状人口在 万以上的 个城市 包括所有的省会城市以及港澳台地区 高速公路网具体 是指 条放射高速公路线 北京 上海 北京 台北 北京 港澳 北京 昆明 北京 拉萨 北京 乌鲁木齐 北京 哈尔滨 条南北纵向高速公路线 鹤岗 大连 沈阳 海口 长春 深圳 济南 广州 大庆 广州 二连浩特 广州 包头 茂名 兰州 海口 重庆 昆明 条东西横向高速公路线 绥芬河 满洲里 珲春 乌兰浩特 丹东 锡林浩特 荣成 乌海 青岛 银川 青岛 兰州 连云港 霍尔果斯 南京 洛阳 上海 西安 上 海 成都 上海 重庆 杭州 瑞丽 上海 昆明 福州 银川 泉州 南宁 厦门 成都 汕头 昆明 广州 昆明 科学出版社职教技术出版中心 规划后的高速公路网 将形成由中心城市向外辐射以及横贯东西 纵贯南北的大通 道 并且实现 东部加密 中部联网 西部连通 的新局面 覆盖人口 多亿 直接服务范围 东部地区超过 中部地区达到 西部地区接近 实现东部地区平均 分 钟 中部地区平均 分钟 西部地区平均 分钟上高速 连接全国所有省会城市 以及 目前城镇人口超过 万的大城市和城镇人口超过 万的中等城市 连接全国重要的交 通枢纽城市 连接重要的对外公路口岸 在环渤海 长三角 珠三角三大都市圈内 形成较

18 第一章 绪 论 图 国家高速公路网规划方案

19 道路勘测设计 第二版 为完善的城际高速公路网 并且逐步形成 首都连接省会 省会彼此相通 连接主要地市 覆盖重要县市 的新的高速公路网络 预计这些高速公路将用 年左右的时间全部建设 完成 除国道主干线外 各省 市 自治区还根据本地区的情况 正在规划建设省级干线网和地方道路网系统 这些规划完全实现后 我国的公路交通将彻底改变面貌 道路的基本组成 道路是布置在地面供各种车辆行驶的一种线形带状结构物 它由道路线形 结构组成和沿线设施三大部分组成 线形组成 道路路线是指道路的中线 线形是指道路中线在空间的几何形状和尺寸 中线是一条三维空间曲线 由直线和曲线组成 道路是从平面 纵面和空间三个方面来进行研究的 道路线形设计包括平面线形设计 纵面线形设计和空间线形 又称为平 纵组合线形 设计三个部分 结构组成 道路的结构组成主要包括 路基 路面 桥涵 隧道 交叉工程 排水系统 防护工程 特殊构造物等部分 路基路基是道路行车部分的基础 是由土 石按照一定尺寸和结构要求所构成的带状土工构造物 路基横断面构成如图 所示 路基横断面有路堤 路堑 半填半挖路基三种基本形式 如图 所示 科学出版社职教技术出版中心 图 路基横断面构成 图 路基断面形式 路堤 亦称填方路基 指路线高于天然地面时填筑而成的路基 路堑 亦称挖方路基 指路线低于天然地面时开挖而成的路基 半填半挖路基 是介于上述两者之间的路基

20 第一章 绪 论 路基是路面的支撑体 其结构必须稳定 坚实并符合规定的尺寸 以承受汽车荷载的作用 并防止水分及其他自然因素对路基本身的侵蚀和损害 路面路面是路基顶面用各种材料分层铺筑而成的结构层 路面应具有足够的强度 平整度和粗糙度 以保证汽车以一定的速度安全 舒适地行驶 如图 所示 路面按其材料组成 结构强度和使用品质有高级 次高级 中级和低级路面之分 按其力学性质有柔性路面和刚性路面之分 桥涵公路跨越河流 沟谷和其他障碍物时所使用的构筑物叫桥涵 如图 所示 当构筑物的标准跨径 多孔跨径 时为桥梁 否则称为涵洞 图 桥梁和涵洞 隧道隧道是公路穿过山岭 置于地层内或地面下的结构物 包括隧道 明洞和半隧道 利用隧道可使公路缩短里程 降低公路越岭线纵坡 在国防上还具有隐蔽性 如图 所示 图 隧道 交叉工程交叉工程包括公路与公路 公路与铁路及公路与管线的交叉 公路与公路及公路与铁路相交可采用平面交叉或立体交叉 包括互通式立体交叉 分离式立体交叉 两种形式 公路与管线交叉时 一般采用留净空和横向间距的办法来保证各种管线不致侵入公路建筑界限内

21 道路勘测设计 第二版 图 排水设施 排水系统为了确保路基稳定 避免受水的侵蚀 公路还应修建排水系统 公路排水系统按其排水方向有纵向排水系统和横向排水系统 纵向排水系统常见的有边沟 截水沟 排水沟等 横向排水系统常见的有路拱 桥涵 透水路堤 过水路面 渡槽等 如图 所示 道路排水系统按其排水位置不同又分为地面排水和地下排水两种 地面排水主要是排除危害路基的雨水 积水及外来水等地面水 地下排水系统主要是排除地下水和其他需要通过地下排除的水 盲沟是常见的公路地下排水结构物 如图 所示 防护工程 图 盲沟 在陡峭山坡上或沿河一侧 为保证路基的稳定 加固路基边坡所修建的构造物 常见 的路基防护工程有 填石路基 砌石护坡 挡土墙 护脚及护面墙等 如图 所示 特殊构造物 在山区地形 地质特别复杂路段 为了保证公路连续 路基稳定 有时需修建一些特殊 构造物 如悬出路台 半山桥 明洞等 如图 所示 沿线设施 公路除线形组成和结构组成外 为了保证行车安全舒适 增进路容美观 还需设置各 种沿线设施 主要有 交通安全设施 为保证行车和行人安全 充分发挥公路的作用而设置的设施 如跨线桥 地道 信号 灯 护栏 防护网 照明设施 反光标志等 交通管理设施 为保证良好的交通秩序 防止事故发生而设置的各种设施 如各种公路标志 紧急电 话 可变 或不可变 情报板 监控装置等 科学出版社职教技术出版中心

22 第一章 绪 论 图 防护工程 图 特殊构造物 交通服务设施为汽车和乘客提供各种服务的设施 如加油站 维修站 停车场 食宿点等 其他沿线设施其他设施如绿化 小品建筑及装饰等

23 道路勘测设计 第二版 道路的分类 分级与技术标准 道路的分类 道路的定义 道路是供各种车辆 除轨道交通 和行人通行的工程设施 是行人和车辆行驶用地的统称 道路的分类 道路按其使用特点分为公路 城市道路 林区道路 厂矿道路及乡村道路等 公路 公路是指连接城市 乡村和工矿基地 主要供汽车行驶 具有一定技术指标和工程设 施的道路 公路按其功能和性质又可分为 国家干线公路 简称国道 省级干线 简称省 道 县级公路 简称县道 以及专用公路等 城市道路 城市道路是指在城市范围内 供车辆及行人通行且具有一定技术条件和工程设施的 道路 城市道路除了为城市的各种交通服务外 还是城市规划布局的骨架 同时还有为城 市通风 采光 防火及绿化提供场地的作用 林区道路 林区道路是指修建在林区 主要供各种林业运输工具通行的道路 由于林区地形及 木材运输的特殊性 其技术要求应按相应的 林区道路工程技术标准 执行 厂矿道路 厂矿道路是指主要为工厂 矿山运输车辆通行的道路 通常分为厂内道路 厂外道路 及露天矿山道路 乡村道路 乡村道路是指修建在乡村 农场 主要供行人及各种农业运输工具通行的道路 乡村 道路一般不列入国家公路等级标准 由于各类道路所处位置 功能和性质均不相同 在设计时所遵循的标准也各不相同 通常的道路主要分为两大类 公路与城市道路 公路分级与技术标准 公路分级 为了适应不同地区经济发展的需要 充分满足路网规划和建设功能的要求 公路必须分等级规划和建设 交通部 年颁布的 公路工程技术标准 根据 功能和适应交通量将公路分为五个等级 各个等级又根据地形规定了不同的设计速度及 相应的工程技术标准 科学出版社职教技术出版中心

24 第一章 绪 论 高速公路高速公路为专供汽车分向 分车道行驶并全部控制出入口的多车道公路 四车道高速公路应能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量 辆 六车道高速公路应能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量 辆 八车道高速公路应能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量 辆 一级公路一级公路为供汽车分向 分车道行驶 并可根据需要控制出入的多车道公路 四车道一级公路应能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量为 辆 六车道一级公路应能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量为 辆 二级公路二级公路为供汽车行驶的双车道公路 双车道二级公路应能适应将各种汽车折合成小客车的年平均日交通量为 辆 三级公路三级公路为主要供汽车行驶的双车道公路 双车道三级公路应能适应将各种车辆折合成小客车的年平均日交通量为 辆 四级公路四级公路为主要供汽车行驶的双车道或单车道公路 双车道四级公路应能适应将各种车辆折合成小客车的年平均日交通量为 辆以下 单车道四级公路应能适应将各种车辆折合成小客车的年平均日交通量为 辆以下 公路技术标准公路技术标准是指在一定的自然环境条件下 能保持车辆正常行驶所采用的技术指标体系 具体是指在设计和施工时对公路路线和构造物的几何形状 结构组成及技术性能上的要求 将这些要求用指标和条文的形式确定下来即形成公路工程的技术标准 它反映了我国公路建设的技术方针 是公路设计和施工的基本依据和准则 是法定的技术要求 必须遵守 各级公路的技术标准是由其技术指标体现的 如表 所示 表 各级公路主要技术指标汇总 公路等级高速公路一级公路二级公路三级公路四级公路设计速度! 车道数 条 或 车道宽度 或 路基宽度 一般值 平曲线 半径 一般值 极限值

25 道路勘测设计 第二版 续表 公路等级 高速公路 一级公路 二级公路 三级公路 四级公路 停车视距 最大纵坡 最小坡长 车辆 计算荷载 汽车 超 级 汽车 超 级汽车 级 汽车 级汽车 级汽车 级 荷载 验算荷载 挂车 级 挂车 级挂车 级 挂车 级挂车 级履带 级 各级公路的技术标准是根据路线在公路网中的性质和任务 设计交通量 交通组成 设计速度及路线所处的地形和其他自然条件所确定的 设计速度是技术标准中最重要的 指标 它对公路的几何形状 工程费用和运输效率影响最大 路线的设计速度是在综合考 虑规划路线的功能 性质及所处环境等因素的基础上 根据国家的技术政策而确定的 公路等级的选用 公路等级的选用应根据公路功能 路网规划 交通量 并充分考虑项目所在地区的综 合运输体系 远期发展等 经论证后确定 确定一条公路的等级 应首先确定该公路的功 能 是干线公路 还是集散公路 即属于直达还是连接 以及是否需要控制出入等 根据预 测交通量初拟公路等级 然后再结合地形 交通组成等 确定设计速度和路基宽度 一级公路具备两种功能 作为干线公路时 应以保证较高的运行速度和安全为目标 为此需采取措施以减少纵 横向干扰 作为集散公路时 为了发挥汇流和疏散车辆的功能 或适当降低服务水平 采用相对较低的设计速度 允许一定的干扰 当一级公路的非汽车 交通量大时 应在纵向予以分隔 当预测的设计交通量介于一级公路与高速公路之间时 应结合公路功能予以考虑 若拟建公路为干线公路 则提倡适度超前 宜选用高速公路 拟建公路为集散公路 宜选用 一级公路 干线公路宜选用二级及二级以上公路 三 四级公路是为满足通达要求和接入服务 的支线公路 允许混合交通 可采用较低的设计速度和服务水平 科学出版社职教技术出版中心 合理划定设计路段长度 恰当选择不同设计路段的衔接地点 处理好衔接处前后一定 长度范围内的线形设计 一条公路 可分段选用不同的公路等级或同一公路等级不同的 设计速度 路基宽度 但不同公路等级 设计速度 路基宽度间的衔接应协调 过渡应顺适 在相互衔接处前后一定长度范围内 主要技术指标应逐渐过渡 避免产生突变 设计速度 高的一端采用较低的平 纵技术指标 反之则应采用较高的平 纵技术指标 以使平纵线形 技术指标较为均衡 变更地点原则上选在交通量发生较大变化或驾驶员能够明显判断前 方需要改变行车速度处 高速公路 一级公路宜设在互通式立体交叉或平面交叉处 二 三 四级公路宜设在交叉路口 桥梁 隧道 村镇附近或地形明显变化处 同时还应考虑设 计速度差异的协调 运行速度与设计速度差异的协调 其目的是保证运行的安全与顺畅

26 第一章 绪 论 应能引导驾驶人员提前意识到前方的变化以便采取相应措施 按照公路的使用任务 功能和远景交通量可分段采用不同的公路等级 或同一公路等 级不同设计速度 但相邻设计路段的设计速度之差不宜超过! 设计速度相同的区段为同一设计路段 同一设计速度的设计路段长度不宜过短 线形 技术指标应尽量保持相对均衡 两相邻不同设计路段之间其技术指标应逐渐变化 按不 同设计速度设计的各路段长度不宜过短 高速公路不宜小于 一级公路 二级公路 不宜小于 城市道路分类与技术标准 城市道路分类与技术分级 城市道路分类按照道路在城市道路网中的地位 交通功能以及对沿线建筑物及车辆和行人进出的 服务功能 我国目前将城市道路分为四类 快速路 快速路应为城市中大交通量 长距离 快速交通服务 一般在特大城市或大城市中设置 主要联系市区各主要地区 市区和主要的近郊区 卫星城镇 主要对外公 路等 快速路对向车行道之间应设中间分车带 其进出口应采用全控制或部分控制 快速路两侧不应设置吸引大量车流 人流的公共建筑物的进出口 两侧一般建筑物 的进出口应加以控制 主干路 主干路应为连接城市各主要分区的干路 以交通功能为主 负担城市的主要客货运交通 自行车交通量大时 宜采用机动车与非机动车分隔形式 如三幅路或四 幅路 主干路两侧不应设置吸引大量车流 人流的公共建筑物的进出口 次干路 次干路应与主干路结合组成道路网 起集散交通的作用 兼有服务功能 次干路两侧可设置公共建筑物的进出口 并可设置机动车和非机动车的停车场 公共交通站点及出租车服务站等 支路 支路应为次干路与街坊路的连接线 解决局部地区交通 以服务功能为主 支路是地区通向干道的道路 但不得与快速路直接相接 城市道路分级除快速路外 每类城市道路按照所占城市的规模 设计交通量 地形等分为 级 大城市应采用各类道路中的 级标准 中等城市应采用 级标准 小城市应采用 级标准 城市可按照其市区和近郊区 不包括所属县 的非农业人口总数划分为 大城市 指人口 万以上的城市 中等城市 指人口在 万 万之间的城市 小城市 指人口不足 万的城市 城市道路技术标准 城市各类道路的主要技术指标列于表

27 道路勘测设计 第二版 表 各类各级城市道路主要技术指标 类别 项目 级别 设计速度! 双向机动车车道数 条 机动车道宽度 分隔带设置 横断面 采用形式 快速路一 必须设双 四幅 主干路 次干路 支路 应设 单 双 三 四 应设 单 双 三 可设 单 双 三 可设 单 双 三 不设 单 不设 单 不设 单 不设 单 不设 单 在选定城市道路的分类和分级标准时 受地形限制的山城可降低一级 特殊发展的省会 自治区首府所在地的中小城市其道路等级可根据实际情况提高一级 改建道路根据 地形 地物限制 房屋拆迁 占地等具体情况 选用表中适当的道路等级 有特殊情况需变 更级别时 应做技术经济论证 报规划审批部门批准 城市道路交通量达到饱和状态时的设计年限 城市道路设计规范 " 规 定 快速路 主干路为 年 次干路为 年 支路为 年 公路基本建设程序 道路勘测设计程序 公路工程作为国民经济基本建设项目 其建设全过程包括 公路网规划 公路勘测设计 公路施工及养护四个环节 根据我国 公路工程基本建设管理办法 年 月 日交通部颁 规定 公路基 本建设程序为 根据长远规划或项目建议书 进行可行性研究 根据可行性研究 编制计划任务书 或设计任务书 根据批准的计划任务书 进行现场勘测 编制初步设计文件和概算 根据批准的初步设计文件 编制施工图和施工图预算 列入年度基本建设计划 进行施工前的各项准备工作 编制实施性施工组织设计及开工报告 报上级主管部门审批 严格执行有关施工的规程和规定 坚持正常施工秩序 做好施工记录 建立技术档案 编制竣工图表和工程决算 办理竣工验收 科学出版社职教技术出版中心

28 第一章 绪 论 公路工程基本建设程序框架图如图 所示 图 公路工程基本建设程序 公路勘测设计程序 工程可行性研究 工程可行性研究是基本建设前期工作的一项重要内容 是基本建设程序的组成部分 是建设项目立项和编制设计任务书的主要依据 公路工程可行性研究的任务是 在对地 区社会 经济发展及路网状况进行充分调查研究 评价预测和必要的勘测工作的基础上 对项目建设的必要性 经济合理性 技术可行性 实施可能性等方面进行综合性的研究论

29 道路勘测设计 第二版 证 推荐最佳方案 进行投资估算和经济评价 为建设项目的决策和审批提供科学的依据 公路建设项目可行性研究报告的主要内容应包括 概述 或总论 包括建设任务的依据 历史背景 研究范围 主要内容及研究的主要结论等 现有公路技术状况评价 包括区域运输网现状和存在的问题 拟建公路在区域运输网中的作用 现有公路技术状况及适应程度等 经济与交通量发展预测 包括项目所在区域经济特征 经济发展与公路运量 交通量的关系 交通量的发展预测 建设规模与标准 包括项目建设规模和采用的等级及其主要技术指标 建设条件和方案比选 包括调查沿线自然条件和社会条件 进行方案比选 提出推荐方案走向及主要控制点和工程概况 对环境影响做出分析并编制环境影响评价报告 投资估算与资金筹措 包括主要工程数量 公路建设与拆迁 投资估算与资金筹措等 工程建设实施计划 包括勘测设计和工程施工的计划与要求 工程管理和技术人员的培训等 经济评价 包括运输成本等经济参数的确定 建设项目的直接经济效益和费用的估算 进行经济评价敏感性分析 建设项目的间接经济效益分析 对于贷款项目还要进行 项目的财务评价 根据上述研究结果 通过综合分析评价 提出技术先进 投资少 效益好的建设方案 设计任务书 公路施工前的勘测设计工作是根据批准的设计任务书及有关标准 规范进行的 设 计任务书是由提出计划的主管部门下达或由下级单位编制后再按规定上报审批 设计任 务书应根据批准的工程可行性研究报告进行编制 设计任务的基本内容包括 建设依据和意义 建设规模和性质 路线基本走向和主要控制点 工程技术标准和主要技术指标 设计阶段及各阶段完成时间 建设期限和投资估算 对分期修建项目应提出每期的建设规模和投资估算 施工力量的原则安排 附路线示意图 工程数量 钢材 木材 水泥用量和投资估算表 设计任务书经上级主管部门批准后 如对建设规模 期限 技术等级和标准以及路线 基本走向等重大问题有变更时 应报原批准机关审批 勘测设计阶段 公路勘测设计应根据项目的性质和要求分阶段进行 交通部 公路工程基本建设项 目设计文件编制办法 交公路发 号 规定 公路工程基本建设项目可以采用 一阶段设计 两阶段设计或三阶段设计 科学出版社职教技术出版中心

30 第一章 绪 论 初步设计应根据批准的设计任务书 或测设合同 和初测资料编制 一阶段设计 对于技术简单 方案明确的小型建设项目 可以采用一阶段设计 即根据批准的设计 任务要求 一次作详细测量并编制施工图设计文件 两阶段设计 公路工程基本建设项目 一般应采用两阶段设计 即初步设计和施工图设计 第一阶段 初步设计 根据批准的设计任务书 进行踏勘测量 并编制初步设计文件 其主要任务是 选定设计方案 计算工程数量和主要材料数量 提出施工方案 编制 设计概算并提供方案说明和有关的图表资料 初步设计在选定方案时 应对路线的走向 控制点和方案进行现场核查 征求沿线地方政府和建设单位的意见 基本落实路线布置方 案 一般应进行纸上定线 并赴实地核对 落实并放出必要的控制线位桩 对复杂困难地 段的路线 互通式立体交叉 隧道 特大桥 大桥的位置等 一般应选择两个或两个以上的 方案 进行同深度 同精度的测设工作和方案比选 提出推荐方案 第二阶段 施工图设计 根据批准的初步设计和审批意见 进行详细测量 并编制施工图设计文件 其主要任务是 对审定的设计原则 设计方案 技术决定进一步具体 化 最终确定各项工程数量和尺寸 提出文字说明 提供满足施工需要的图表资料及施工 组织计划 并编制施工图预算 三阶段设计 对于技术上特别复杂而又缺乏经验的建设项目或建设项目中的个别路段 特殊大桥 互通式立交 隧道等 必要时应采用三阶段设计 即初步设计 技术设计和施工图设计 其 中的技术设计主要是对重大而又复杂的技术难题通过科学试验 专题研究 加深勘探调查 及分析比较 解决初步设计中未能解决的问题 落实技术方案 计算工程数量 提出修正的 施工方案 修正设计概算 其深度介于初步设计和施工图设计之间 道路勘测设计依据 技术依据 道路勘测设计的主要技术依据有 公路工程技术标准 公路勘测规范 公路路线设计规范 # 城市道路设计规范 " 城市道路交通规划设计规范 林区道路设计规范 厂 矿道路设计规范 公路工程基本建设项目设计文件编制办法 交公路发 号 等 自然条件 影响道路的自然因素主要有地形 气候 水文 地质 土壤及植被等 这些自然因素主 要影响道路等级和设计速度的选用 路线方案的确定 路线平纵横几何形状 桥隧等构造 物的位置和规模 工程数量和造价等方面 其中 地形决定了选线条件 并直接影响道路

31 道路勘测设计 第二版 的技术标准和指标的选取 气候状况直接或间接地影响地面水及地下水位高度 路基水温 状况以及泥泞期 冬季积雪和冰冻期等路面使用质量 水文情况决定排水结构物的数量和 大小 水文地质情况决定了含水层厚度和位置 地基或边坡的稳定性 地质构造决定了地 基和路基附近岩层的稳定性 决定有无滑坍 碎落和崩坍的可能 同时也决定了土石方工 程施工难易程度和筑路材料的质量 土是路基和路面基层的材料 它影响路基形状和尺 寸 也影响路面类型和结构的确定 地面的植物覆盖影响暴雨径流 水土流失程度 经济种 植物还影响到路线的布设 交通条件 设计车辆 作为道路设计依据的车型为设计车辆 车辆的几何尺寸 质量 性能等 直接关系到行车道宽度 弯道加宽 道路纵坡 行车视距 公路净空 路面及桥涵荷载等 因此设计车型 的规定及采用对确定公路几何尺寸和结构具有重要的意义 道路上行驶车辆的种类很多 按使用功能及外廓尺寸的不同 对公路和城市道路的设 计车辆在 公路工程技术标准 和 城市道路设计规范 中 都做了明确的规定 公路设计车辆 公路设计所采用的设计车辆外廓尺寸规定如表 所示 表 公路设计车辆外廓尺寸 车辆类型总长总宽总高前悬轴距后悬 小客车 载重汽车 鞍式列车 $ 城市道路设计车辆我国城市道路机动车设计车辆外廓尺寸如表 所示 表 城市道路机动车设计车辆外廓尺寸 车辆类型总长总宽总高前悬轴距后悬 小型汽车 普通汽车 铰接车 及 注 总长 车辆前保险杠至后保险杠的距离 总宽 车厢宽度 不包括后视镜 总高 车厢顶或装载顶到地面的高度 前悬 车辆前保险杠至前轴轴中心的距离 后悬 车辆后保险杠至后轴轴中心的距离 轴距 前轴轴中线至后轴轴中线的距离 科学出版社职教技术出版中心

32 第一章 绪 论 非机动车设计车辆我国非机动车设计车辆外廓参考尺寸如表 所示 表 非机动车设计车辆外廓参考尺寸 车辆类型总长总宽总高车辆类型总长总宽总高 自行车 板车 三轮车 兽力车 注 总长 自行车为前轮前缘至后轮后缘的距离 三轮车为前轮前缘至车厢后缘的距离 板车 畜力车均为车把前端至车厢后缘的距离 总宽 自行车为车把宽度 其余车种为车厢宽度 总高 自行车为骑车人在车上时 头顶至地面的高度 其余车种均为载物顶部至地面的高度 设计速度 定义 设计速度是指在气候条件良好 汽车密度小 车辆行驶只受公路本身条件 几何要素 路面 附属设施等 的影响时 具有中等驾驶技术的人员能够安全 顺适驾驶车辆的最大行 驶速度 设计速度是道路设计时确定几何线形的基本依据 道路的曲线半径 超高 坡度 坡 长及视距等直接与设计速度有关 道路的设计速度是决定道路线形几何要素的重要因 素 是用来体现道路等级的一项重要指标 设计速度的规定 影响设计速度的因素很多 主要有地形 地区特征 设计交通量 汽车的技术性能 司 机的适应性 行车的安全性和工程的经济性等 在规定设计速度时 主要考虑汽车的以下 几种车速 最高车速 汽车行驶的最高车速是受汽车的动力性能及汽车构造的限制所能达到的最高车速 在规定设计速度时 必须与汽车所能行驶的最高车速相适应 并考虑公路 上行驶的多数车辆的要求 经济车速 汽车行驶的经济车速是指新出厂的汽车 在一般道路上行驶时 所测定的最经济 油耗少 轮耗小 车速 平均技术速度 平均技术速度是指汽车在道路上行驶的平均速度 汽车在不同道路条件的路段上行驶时 驾驶员所选择的能适应道路条件的驾驶速度称为技术速度 各路段技术速度的平均值即为道路实际行驶的车速 据观测 由于受行车条件的限制 平 均技术速度很难达到设计速度 设计速度较高时 平均技术速度约为设计速度的 设计速度较低时约为设计速度的 由于各国设计车辆和地形条件的差异 设计速度的规定方法也不相同 目前我国道 路的设计速度主要考虑的是地形条件 工程难易 工程量大小和技术经济合理性等因素 各级公路的设计速度如表 所示 城市道路与公路相比 具有功能多样 交通组成复杂 行人交通量大 交叉口多和车速

33 道路勘测设计 第二版 差异大的特点 平均行驶速度比公路低 城市道路设计规范 " 规定的各类 各级道路的设计速度如表 所示 设计交通量 交通量是指单位时间内通过道路某一断面的车辆数 交通量的大小是由交通调查和 交通预测来确定的 设计交通量有设计年平均日交通量和设计小时交通量 设计年平均日交通量 设计交通量 设计交通量是指拟建道路在预测年限时所能达到的年平均日交通量 辆 日 它是 确定道路等级 论证道路的计划费用及进行各项结构设计的重要依据 但不宜直接用于公 路几何设计 因为在一年中的某些季节或时段的交通量可能会高出年平均日交通量数 倍 不具代表性 由于道路的交通量是随着经济的发展和路况条件的改善而在逐渐变化 所以道路的 设计应以预测年限交通量变化的需要为准 预测年限所能达到的年平均日交通量是根据 历年交通观测资料预测求得 目前多按年平均增长率计算为 式中 % 预测设计年限年平均日交通量 起始年平均日交通量 交通量年平均增长率 预测设计年限 年 设计小时交通量 % 根据交通量预测以小时为计算时段作为公路设计标准的交通量 它是确定车道数和 车道宽度及评价道路服务水平的主要依据 大量交通量统计资料表明 在一天以及全年期间 每个小时的交通量都在变化 且变 化幅度较大 如果用一年中最大的高峰小时交通量作为设计依据 会造成巨大浪费 但 如果采用日平均小时交通量则不能满足实际的交通需求 会造成交通拥挤或阻塞 为使 设计交通量的取值既保证交通安全畅通 又能使工程造价经济 合理 借助一年中每小时 交通量的变化曲线来指导确定最合乎设计使用的小时交通量 其方法如下 将一年中 个小时的交通量 双向 按其与年平均日交通量的百分数大小顺序排 列起来并画成曲线 如图 所示 从图可以看出 在 位小时交通量附近 曲线 急剧变化 其右侧曲线明显变缓 而左侧曲线坡度则较大 显然设计小时交通量的合理取 值范围应在 位小时的范围之内 如以第 个小时交通量作为设计依据 意味着 在一年中将有 个小时超过设计值 可能发生拥挤 占全年小时数的 也就是说 全年将有 的时间能够保证交通畅通 目前 包括我国在内的世界许多国家都采用第 位小时交通量作为设计的依据 亦 可根据当地条件 在第 位至第 位小时交通量之间采用最为经济合理的小时交通量 作为设计依据 科学出版社职教技术出版中心 在确定设计小时交通量时 应根据交通量观测资料绘制设计路线的交通量变化图 如 没有观测资料时 可参考性质相似 交通情况相仿的其他道路观测资料进行推算

34 第一章 绪 论 图 年平均日交通量与小时交通量关系曲线设计小时交通量按下式计算 即! % 式中! 主要方向高峰小时设计交通量 % 设计年限年平均日交通量 方向不均匀系数 即高峰小时期间主要方向交通量与双向总交通量之比!! 高峰小时交通量 双向 一般取!! 设计小时交通量系数 如有观测资料可按图 求得 无资料时可根 % 据气候分区按表 取值 表 设计小时交通量系数 取值 气候分区 公路环境及分类 一 华北 二 东北 三 华东 四 中南 五 西南 六 西北 京 津 沪 苏 浙豫 湘 鄂 川 滇 陕 甘 辽 吉 黑冀 晋 蒙皖 闽 赣 鲁粤 桂 琼黔 藏宁 青 新 近郊城间 高速公路 一级公路 双车道公路 高速公路 一级公路 双车道公路 标准车型与车辆折算系数道路上行驶的车辆种类较多 其速度 行驶特性及占用车道的净空差异较大 作为道 路设计依据的设计交通量的统计 应折算成某一标准车型 我国新的 公路工程技术标 准 规定 将涵盖小客车与小型货车的 小客车 定为各级公路设计交通 量换算的标准车型 用于道路规划与技术等级划分的机动车折算系数按表 采用

35 道路勘测设计 第二版 表 各级公路车辆折算系数 车型编号 代表车型 折算系数 车种说明 小客车 座以下的客车和载质量小于 & 的货车 中型车 座以上的客车和载质量大于 & 小于等于 & 的货车 大型车 载质量大于 & 小于等于 & 的货车 拖挂车 载质量大于 & 的货车 对于非机动车占较大比例的混合交通道路 自行车 行人 畜力车等非汽车交通不再作为交通流中的独立车型 仅作为路侧横向干扰因素考虑 不再参与交通量折算 拖拉机 则分为两种情况予以考虑 一是在行车道两侧设有慢车道的二级公路 拖拉机也作为路侧 干扰因素考虑而不参与交通量换算 另一种情况是在三 四级公路上 拖拉机混行于机动 车道内 对车流形成纵向干扰 每辆拖拉机可折算成 辆小客车 通行能力与服务水平 通行能力 通行能力是指道路设施所能疏导交通流的能力 即在一定的时段 通常取! 或 ' 和正常的道路 交通 管制以及运行质量要求下 道路设施所能通过交通流的能力 通行能力实质上是道路负荷性能的一种量度 它既反映了道路疏导交通的能力 也反映了 在规定的道路交通特性前提下 道路所能承担车辆运行的极限值 对于多车道道路以一 条车道所能通过的最大车辆数表示 双车道道路以往返车道合计车辆数表示 通行能力 一般以!! 辆 小时! 当量标准小客车 小时 表示 基本单位是!( 当量 小客车 小时 车道 能力 通行能力按其性质和使用要求的不同分为基本通行能力 可能通行能力和设计通行 基本通行能力 基本通行能力是指在理想条件下 单位时间内一个车道或一条道路某一路段可以通过小客车的最大数 是计算各种通行能力的基础 所谓理想条件包括 道路本身和交通两个方面 即道路本身应是车道和侧向净空有足够的宽度 平 纵线形及 视距条件良好 交通方面应是车道上只有小客车行驶 无其他车型混入 交通密度低 车速 不限 现有的道路即使是高速公路 基本上没有合乎理想条件的 可能通过的车辆数一般 都低于基本通行能力 可能通行能力 可能通行能力是指考虑到通常的道路和交通条件与理想条件的差距 并对基本通行能力进行修正后得到的通行能力 实际上是指道路所能承担的最大交 通量 科学出版社职教技术出版中心 设计通行能力 设计通行能力也叫实用通行能力 是指作为道路规划和设计标准 要求道路交通的运行状态保持在某一服务水平时道路承担的通行能力 与每一级服 务水平相应的交通量称为服务交通量 设计通行能力由可能通行能力乘以与该路服务水 平相应的最大服务交通量和基本通行能力之比 得到 当 值小时 最大服务交 通量小 车流运行条件好 相应地服务水平就高 反之当 值大时 服务交通量也大 车

36 第一章 绪 论 流运行条件差 服务水平也低 当设计小时交通量超过设计通行能力时 道路将发生 堵塞 服务水平服务水平是指道路使用者根据交通状态 从行车速度 舒适 方便 经济和安全等方面所能得到的服务程度 我国 公路工程技术标准 中以交通流的运行状态 定性地将交通流描述为从自由流和稳定流到饱和流和强制流变化的四个阶段 采用四级服务水平 评价公路交通的运行质量 服务水平的划分标准 高速公路和一级公路以车流密度作为主要指标 二 三级公路以延误率和平均运行速度作为主要指标 交叉口则用车辆延误来描述其服务水平 道路网规划 公路网规划 公路网所谓公路网是由区域内的运输点 以及连接诸运输点的所有公路 按一定的要求组合而成 并具有特定功能的网络系统 运输点是指区域内的城市 集镇及运输集散点 如大型工矿 农牧业基地 车站 港口等 对公路网内公路的基本要求是 四通八达 干支结合 布局合理 效益最佳 公路网规划的根本目的是从总体优化的角度 对区域公路建设在时间和空间上进行宏观控制 而公路设计就是以公路网为基础 按其规划要求分段分级逐步实施的前期过程 公路网的功能和特性合理规划的公路网应具有必要的通达深度和公路里程长度 具有与交通量相适应的道路技术标准和使用质量 具有经济合理的平面网络 公路网的主要功能是 满足区域内外的交通需求 承担城市之间的运输联系 维持区域内交通的通畅及保证交通运输的快速和高效 确保交通安全和提供优质运输服务 维护生态平衡 防止水土流失 注意环境保护 方便人民生活 满足国防建设和防灾 抗灾需要 公路网系统具有如下特性 集合性 区域公路网是由许多元素 运输点和公路中线等 按一定方式组合而成的系统 由于区域范围内运输点的规模和重要性不同 公路网的组合结构与级别亦就有所差别 我国目前的公路网可以分为三个级别 即国道网 省道网及地方道路网 县乡公路 前两者是全国和省 市 公路网的骨架 是公路运输的主动脉 而众多的地方道路则作为枝杈 直接深达区域内的各有关用户 三者共同组成一个有机整体 关联性 构成公路网的全部运输点和公路是相互联系 相互制约和具有一定规律性和高效性的整体 它不是若干条公路的简单相加 公路网的建设是一个动态的过程 路网中每条公路的建设 均要受到全局因素的制约 并随着经济的发展和时间的变化进行调整 公路网的关联性包含着时间和空间两方面的特征 目的性 按照一定的目的而规划的公路网 才具有特定的功能 并在特定的路网系统中发挥汽车运输的优势 给区域的交通运输创造良好的条件 适应性 公路网作为区域公路运输的基本组成部分 必须适应于区域国土开发利

37 道路勘测设计 第二版 用和经济发展规划 适应于区域综合运输系统发展规划 并满足公路运输的发展需要 公路网的图式区域公路网可以简化为以运输点或交叉口为节点 两点间的公路为边的网络图式 由于受区域内运输点的地理位置和公路走向的制约 各个规划区域内的公路网的结构形式不可能一样 图 为常用的几种典型的公路网结构形式 一般而言 平原和微丘陵地区 宜采用三角形 棋盘形和放射形路网 而重丘陵和山区由于受山脉和河川的限制 宜 科学出版社职教技术出版中心 图 典型公路网结构形式示意图

38 第一章 绪 论 采用并列形 树杈形或条形路网 当区域内的主要运输点 省 市或县的行政机关所在地等 偏于边缘时 可以采用扇形或树杈形 在狭长地带的地方路网规划中可以采用条形路网 在较大区域内各种图式可相互配合使用而形成混合形路网 我国国道网就是采用放射形和格网形组合的图式 城市道路网与红线规划 城市道路网城市道路网有别于公路网 城市路网通常与城市总体规划一起考虑 且结合城市的功能分区 交通运输 建筑艺术和自然地形等进行规划 它的结构形式是指道路系统的平面几何图形 城市道路网的几何形状一旦形成 整个城市的运输系统 建筑布置 居民点以及街区规划也就确定了 而改变一座城市的道路网形状却是困难的 也是不经济的 城市道路网与城市的规模 城市中交通吸引点的分布以及城市所在地自然条件等密切相关 对城市道路网规划应该在原有结构基础上进行 首先定出干道系统 逐次定出次要道路和一般道路 形成一个有机的结构图形 目前城市道路网系统形式可归纳为四种主要类型 方格网式 环形放射式 自由式和混合式 如图 所示 城市道路红线 图 城市道路网结构形式示意图 城市道路红线是指划分城市道路 城市建筑用地 生产用地及其他备用地的分界控制

39 道路勘测设计 第二版 线 红线之间的宽度就是道路用地范围 称为道路建筑红线宽度或路幅宽度 所谓规划 道路红线也就是规划道路的边界线 其目的在于全面规定各级道路 广场 交叉口等用地 范围 红线不仅是确定道路及两侧建筑物设计 施工的依据 也是城市公用设施各项管线 工程的用地依据 道路红线规划设计的主要内容是 确定道路红线宽度 根据道路的功能与性质 考虑适当的横断面形式 定出机动车道 非机动车道 人行道 绿化带等各组成部分的合理宽度 从而确定道路的总宽度 即 红线宽度 在定红线宽度时要充分考虑 近远结合 以近为主 的原则 确定道路红线位置 道路红线的位置是依据规划道路中心位置及横断面宽度 在城市总平面图上确定的 如果是新区道路 一般是先划定道路红线 然后依照红线分期修 建 逐步建造 如果是旧区道路 可采用一次扩宽至道路红线宽度或两侧分期逐步扩宽至 道路规划红线宽度两种方式 确定交叉口形式 根据当地具体条件和近 远期规划的要求 定出平面交叉和立体交叉口的用地范围 具体位置 几何尺寸及安全视距等 并以红线方式绘在平面图上 确定控制点的坐标和标高 规划道路中线的转折点和各条道路的相交点就是控制点 控制点的坐标和标高可直接实地测量 也可依据可靠的地形图在图上进行计算 然 后绘在平面图上 本课程研究的主要内容 本课程研究的主要内容及教学建议 道路是一种带状的三维空间结构物 它是由道路本身的几何线形及其结构物和沿线设施等组成的工程实体 道路设计分为几何设计和结构设计两大部分 几何设计是对道 路空间几何形状的研究 属于本课程的研究范围 结构设计是对道路各工程实体的研究 属于各相关课程学习研究的范围 结构设计是以几何设计为基础的 而几何设计又要考 虑结构方面的要求 所以本课程是一门综合性和实践性很强的专业课程 学习过程中必 须理论联系实际 掌握道路勘测设计的基本概念 原理 方法和技能 熟悉相应的规范和标 准 为今后所从事的工作做好准备 本课程的主要研究对象是公路和城市道路 本课程研究的主要内容是汽车行驶性能与道路几何元素的关系 以保证在一定的自 然和交通条件下 使旅客能够得到安全 快速 经济和舒适的运行服务 因此 本课程主要 涉及的是人 车 路及环境的相互关系 在勘测设计时 既要作为一个整体进行考虑 同时 也要把它解剖为路线的平 纵 横断面分别进行研究 本书就是在明确了汽车的行驶特性 及对道路设计的具体要求的基础上 对道路的平 纵 横几何组成分别进行讨论 然后再以 汽车行驶特性和自然条件为基础 对道路整体进行综合研究 以实现人 车 路及环境的综 合设计 科学出版社职教技术出版中心 本课程是一门实践性很强的综合性课程 在学习几何设计理论及开展实践环节时 除 了与 路基路面工程 和 桥梁工程 等专业课程有关外 还与 测量学 工程地质 及 桥

40 第一章 绪 论 涵水文 等专业基础课程有关 为了使学生初步掌握综合设计和勘测的方法 加深对理论 的理解 完成纸上定线课程设计和野外勘测实习 这些都是必不可少的教学环节 本课程教学建议 本书编排内容较为全面 由于总学时的限制 不可能全部讲解 按总学时 学时安 排 需要学生重点掌握的 学时 重点理解的 学时 自学 学时 其中实际讲课不少 于 学时 在此基础上再安排一定的工程实践课 周的课程设计及 周的生产实 习 在保证大纲内容完整性和系统性的原则下 讲授的内容和方法 以及新技术的增添 和某些次要内容的删减 由任课教师根据实际自行决定 对于开设 交通工程 及 城市道 路工程 课程的学校 有关城市道路和交通规划的内容可以从简 如何合理选定公路技术等级 思 考 题 道路勘测设计的主要依据有哪些 应该怎样遵循和理解道路勘测设计的主要依据

41 第二章 汽车行驶理论 概 述 公路设计是以满足汽车行驶的要求为前提的 因此 在公路线形设计时 就必须弄清汽车行驶对公路的要求是什么 而要弄清这一问题 又需要了解汽车在公路上是怎样行驶 的 这就是汽车行驶理论所需要研究的问题 研究汽车行驶理论的意义 公路是一种线形的交通运输工程结构物 主要供汽车行驶 因此 必须了解汽车的性 能及其行驶对公路的要求 汽车行驶理论是一门在分析汽车行驶基本规律的基础上 研究汽车行驶原理 实用性 能和行驶性能的学科 通过上述研究 进一步分析影响汽车使用和行驶性能的各种因素 最大限度地从汽车构造 公路设计以及其他行车条件等方面发挥汽车的使用效益 汽车行驶总的要求是安全 迅速 经济与舒适 要满足这个要求 就必须从驾驶者 汽 车 公路和交通管理等方面来保证 就公路线形设计方面讲 主要从以下几方面来保证 保证汽车在路上行驶的稳定性 即保证安全行车 不发生翻车 倒溜或侧滑 因此需要在研究汽车行驶过程中力系的平衡条件 分布情况和行车稳定性等的基础上 合理设 置纵 横坡度及曲线半径 提高车轮与路面间的附着力 尽可能提高车速 评价运输效率的指标是汽车运输生产率和运输成本 平均技术速度是主要影响因素之一 为了提高车速 就需要充分发挥汽车行驶的动力性能 因此 在公路设计时必须严格控制曲线半径 最大纵坡及坡长 合理设置超高和缓和曲线 并尽 可能地采取大半径曲线及平缓的纵坡 保证行车畅通 为保证公路上行车不受阻碍或减少阻碍 公路线形设计需要保证平面上有足够的视距 纵断面上应正确设计竖曲线 横断面上应有足够的通行宽度 此外 还应尽可能地减少平面交叉以及增加交通安全和防止公害等措施 尽量满足行车舒适 线形设计时 需要正确地组合平面线形和纵面线形 以增进驾驶者和乘客在视觉上和心理上的舒适感 采用符合视角舒顺要求的曲线半径 注意线形 与景观的协调 沿线的植树绿化等 如上所述 公路的线形设计与汽车行驶时各主要性能是密切相关的 因此汽车行驶理 论是公路线形设计的理论基础 是制定公路线形几何标准 如平曲线半径 纵坡坡度等 的 理论依据 掌握应用汽车行驶理论对于指导公路线形设计 研究和制定公路技术标准有 着重要意义 科学出版社职教技术出版中心

42 第二章 汽车行驶理论 汽车在道路上的行驶轨迹一辆正常行驶的汽车 无论直行还是转弯 留下的轨迹都是相当顺滑悦目的 形成一条曲折有致的优美线形 对行驶轨迹的进一步研究和分析 可帮助我们深入了解路线要素的几何构成 为新建道路的设计和旧路的改善提供良好的参考 最理想的路线平面是行车道的边缘能与汽车的前外轮和后内轮迹线完全符合或相平行 设汽车方向盘转动角为 前轮转向角为 两者的关系为 ) 即 ) 当以不同的转动角 操作方向盘行驶时 汽车相应的行驶轨迹将各不相同 设汽车等速行驶 方向盘转动角度不变时 此时汽车的行驶轨迹为圆弧 当方向盘的转动角速 ) 度为定速时 即随着行驶距离的增加 曲线半径逐渐减小 此种曲线即为回旋线 汽车在弯道上行驶时 由于受横向力的影响 为保证行车的安全 要尽可能使道路线形设计满足汽车行驶轨迹的几何要求 相应地进行与直线不同的线形设计 如在弯道设置缓和曲线 并在该路段上进行超高 加宽等设计 因此 研究汽车在弯道上实际的行驶轨迹将为进一步改善路线线形设计提供科学的依据 汽车的行驶性能汽车的行驶性能随汽车类型而不同 一般归纳起来可包括动力性能和运动性能等 与公路设计关系密切的主要有 动力性能动力性能是指汽车所具有的牵引力 是决定汽车加速 爬坡和最大速度的性能 汽车的动力性能越好 车速越高 爬坡能力和加速能力就越好 通过性通过性 又称越野性 指汽车在各种道路和无路地带行驶的能力 汽车通过性能越好 汽车使用的范围就越广 制动性制动性指汽车强制停车和减低车速的能力 汽车制动性能的好坏 直接关系到行车安全 制动性能好 汽车才能以较高的车速行驶 行驶稳定性行驶稳定性指汽车遵循驾驶者指定方向行驶的能力 它包括汽车的转向特性 高速稳定性和操纵轻便性 汽车行驶稳定性直接关系到行车的安全 行驶平顺性行驶平顺性指汽车在不平道路上行驶时 汽车免受冲击和震动的能力 汽车行驶平顺性 对汽车平均技术车速 乘车舒适性 运货完整性等有很大影响 关于各种车型汽车的技术性能可在有关资料中查阅 表 介绍了几种国产汽车的主要技术性能 我国公路和城市道路设计采用的车辆外廓尺寸见表 表 本章主要论述汽车行驶的动力性能 稳定性能 制动性能及行驶轨迹等使用性能

43 道路勘测设计 第二版 表 主要国产汽车技术特性数据 奥迪汽车型号 上海 红旗 红旗 跃进 北京 解放 东风! 黄河 " 交通 #" 汉阳 #$" 汽车类别中型轿车大型轿车轻型越野车中型载重汽车重型货车牵引车 座位数或装载质量 %& ' ' ' ' ' 整车质量 %& " ' ' 长 '" ' ' " ' " '' 外廓尺寸 宽 " ' ' " ' "" ' 高 " " ' '' 轴距 " ' ' "' ' ' ' ' 轮距 前轮 " ' ' " " ' 后轮 " '' '' " 中 后 最小离地间隙 " " ' "' "' 最高车速 % " " " ' "' " 最大爬坡 " 不小于 不小于 ' 平均燃料消耗 (% )' ) ' ")' ")' ' 最小转弯半径 ') )' ) )" ") ') ) )' 最大功率 %* "" ") ") ") '')' )" ') ")" ")" 最大功率转速 +, ' 最大扭矩 )" ' " 最大扭矩转速 +, ' ' 科学出版社职教技术出版中心

44 第二章 汽车行驶理论 汽车的牵引力与牵引平衡 汽车行驶中的受力分析 汽车在道路路面上行驶时 汽车牵引力将克服行驶阻力 并受到弯道超高 加减速 制动 路面凹凸不平等因素的影响 汽车行驶中的受力情况与汽车的运动状态有密切的关 系 汽车的运动状态可分为直线行驶和曲线行驶 下面分别对两种状态下汽车行驶中受 力情况进行简单分析 汽车直线行驶 图 所示为后轴启动的双轴汽车 在直线坡道上作上坡加速行驶的受力情况 图 中 * 为汽车总重力 为坡道倾角 + 为重心高度 为汽车轴距 和 为汽车重心至 前 后轴的距离 为汽车重心 汽车加速上坡行驶时之惯性力!,) * %# 及重力平行于 "%$ 路面的分力 *-' 即坡度阻力 作用在汽车的重心上 作用方向与汽车行驶方向相 反 空气阻力!. 可视为作用在汽车正面风压中心的集中力 风压中心的高度为. 此 外 在汽车上尚有汽车重力垂直于路面之分力 */- 作用在汽车上的力除上述之外 还有路面对汽车的反作用力 汽车车轮上的法向反作用力 % 及 % 它与接触面垂直 并 通过车轮中心 滚动阻力矩 &0 及 &0 其作用方向与车轮回转方向相反 假设车轮半径为 车轮与坡道的滚动阻力系数为 ' 由前所述知滚动阻力矩值为 &0 %'&0 %' 图 汽车直线上坡行驶的受力示意图 汽车车轮上的切向反作用力 及 作用在车轮与路面的接触面上 并与车轮接触面的切线方向一致 从动轮的切向反作用力 的作用方向与汽车行驶方向相反 而驱动轮的切线反作用力 的作用方向则与汽车行驶方向相同 汽车所产生的转动力矩为 & 惯性力矩 &, 及 &, 的作用方向与车轮的回转方向相反 如果将汽车的诸作用力分别对前轮接地点及后轮接地点取矩 并考虑到 %% */- 汽车滚动阻力!0 */-'

45 道路勘测设计 第二版 则 &0&0 %%' *'/-!0 % */- '* + -'!, +&,&,!.. % */- '* +-'!, +&,&,!.. 由式 和式 可知 当汽车行驶时 作用在汽车前后轮上的法向反作用力不仅与汽车结构参数 如 * +. 等 有关 而且随汽车运动情况而变化 汽车在上坡 行驶时 反作用力 % 减小 而 % 增大 下坡行驶时 则相反 空气阻力使反作用力 % 减 小 而 % 增大 其差别随风压中心高度的增高而加大 作用在汽车前轮 从动轮 的切向反作用力 为 %' &, 而作用在汽车后轮 驱动轮 的切向反作用力 为 &&, %' 汽车的曲线行驶如图 所示为汽车在有横坡的道路上作曲线行驶的受力情况 图中汽车的重力 * 和惯性力!,1 作用在汽车的重心上 轮距为 为汽车后轮的侧向反作用力 由于 横坡的存在 此时作用在汽车上的侧向力除了!, /- 外 尚有汽车重力平行于路面的分 力 *-' 图 汽车在横坡道上曲线行驶的受力示意图 如对汽车左边车轮与公路接触面中点的连线取矩 则可得 * /-*+-'!,1 -'!,1+/-% 右 解上式可得汽车右轮上所受的法向反作用力为 科学出版社职教技术出版中心 * /-*+-'!,1 -'!,1 +/- % 右 同理可得汽车左轮上所受的法向反力为 * /-*+-'!,1 -'!,1 +/- % 左

46 第二章 汽车行驶理论 图 所示为汽车在有横坡的公路上作曲线行驶时的受力情况 俯视图 图中除侧向力及惯性矩 &, 外 其他作用力及反作用力均未绘出 如对汽车后轴中心取矩 则按平衡条件可得 0*-'!,1/-&, 解上式可得作用在汽车前轴车轮的侧向反作用力为 0!,1/-*-'&, 同理可得作用在汽车后轴车轮的侧向反作用力为!,1/-*-'&, 式中 &, 汽车在曲线上行驶时之惯性力矩 图 汽车曲线行驶的侧向力 和反作用力 牵引力的产生及传递汽车的行驶需要克服各种行驶阻力 因而必须具备足够的动力 牵引力 汽车行驶时牵引力来自内燃发动机 燃料在发动机内燃烧 将热能转变为机械能 因此牵引力取决于发动机的性能 表征汽车发动机特性的基本指标 有效功率 有效功率指汽车在单位时间内所具有的做功的能力 单位为千瓦 不同的汽 车 发动机性能不同 所发出的有效功率也不同 如在发动机转速为 ' 时 解放 " 所发出的最大功率为 *2) 而黄河 3 当发动机转速为 ' 时 所发出的最大功率为 *2) 红旗小轿车 " 当发动机转速为 ' 时 所发出的最大功率为 *2) 转速 转速是指发动机曲轴单位时间内的旋转次数 用每分钟转数 ' 为单位 转速的 大小影响汽车行驶的快慢 扭矩 & 扭矩是指汽车发动机产生于曲轴上的转动力矩 用牛顿 米 3 为单位 汽车 发动机扭矩的大小 决定了汽车产生牵引力的大小 转动角速度 转动角速度指单位时间内发动机曲轴转动的角度 单位是弧度 秒 *%- 发动机有效功率 和曲轴扭矩 & 的关系 发动机内燃料燃烧产生的热能 通过活塞 曲轴转化为机械能 产生有效功率 驱 使曲轴以每分钟 的转速旋转 产生扭矩 & 再经过一系列的变速 传动 在驱动轮上产 生扭矩 & 推动汽车前进 由功率的基本公式

47 道路勘测设计 第二版 即 & *%- & & 或 & 如将发动机所发出的功率 扭矩 & 以及单位燃料消耗量 " 与发动机曲轴的转速 之间的函数关系以曲线表示 则此曲线称为发动机转速特性曲线 或发动机特性曲线 如果此曲线是当节气阀全开 或最大供油量 时所得 则称为发动机外特性曲线 而在节 气阀部分开启 或部分供油量 时所得的曲线 则称为发动机的部分负荷特性曲线或发动 机的节流特性曲线 当研究汽车牵引性能时 在发动机特性图上可省去单位燃料消耗量 如图 所示 图 某汽油发动机的 外特征曲线示意图 驱动轮扭矩 & 及牵引力!& 为某一汽油发动机的外特性曲线 图中 ' 为发 动机的最小稳定工作转速 随着转速的提高 发动 机所发出的扭矩和功率都在增加 当曲轴转速为 4 时 发动机扭矩达到最大值 &*2 如进一步提高 曲轴转速则发动机扭矩将下降 但发动机功率仍将 继续增加 直至其最大值 *2 如再继续提高曲 轴转速 则发动机所发出的功率由于汽缸充气恶 化 机械损失等原因将逐渐降低 此时发动机的磨 损甚为剧烈 故一般发动机设计均使其最大转速不 大于最大功率时转速的 汽车的动力传递为 动力扭矩 发动机 离合器 变速箱 传动轴 万向节头轴 主传动器及车轴 驱动轮 即发动机曲轴扭矩 & 通过离合器 变速箱 随所用排挡的变速 比 ( 和机械效率 传至万向节头轴上的扭矩为 & 此时 &)&( 万向节头轴上的扭矩 & 再传至主传动器 并随主传动器的减速比率 ( 及机械效率 经车轴传到驱动轮 上的扭矩为 & 此时 &)&( )&(( 取 4) 有 &)&(( 4 汽车行驶时 共受以下几个力 图 作用于汽车驱动轮上的扭矩 & 汽车重力 及与之相平衡的反力 行驶阻力 ) 路面水平反力 * 驱动轮上的扭矩 & 可用一对力偶!& 和! 代替! 作用在轮缘上与路面水平反力 * 平衡!& 作用在轮轴上推动汽车前 进 与汽车的行驶阻力抗衡 因此 科学出版社职教技术出版中心 又 所以有牵引力!& & (( &(( 4 ((!& & 4 4 3

48 第二章 汽车行驶理论 图 驱动轮的受力分析 如果要求汽车具有较大的牵引力 则必须采用较大的速比 (( 但随着 (( 的增大 车速 会降低 因此汽车设有几个排挡 各挡具有固定的速比或最大速度值 采用低速 挡 能获得较大的牵引力和较低车速 采用高速挡 能获得较高的车速和较小的牵引力 图 是由发动机特性曲线转换得到的 汽车牵引特性曲线 图中!&!&!& 和!& 分别表示一 二 三挡及直接挡时汽车牵引力 与汽车行驶速度的关系曲线 汽车的牵引特 性对研究汽车的牵引性能至关重要 如汽车 的牵引力与行驶速度的关系 不同挡位汽车 牵引力的变化 汽车的最大行驶速度 最大加 速度 最大爬坡度等都必须借助牵引特性加 以分析研究 汽车的行驶阻力 图 汽车的牵引特性图 汽车运动时需要不断克服运动中所遇到的各种阻力 这些阻力或来自汽车赖以行驶的路面 或来自汽车周围的介质 空气 通常前者称之为滚动阻力!0 而后者称为空气阻力!. 此外 汽车上坡行驶时 所需克服的汽车重力在平行于路面方向的分力称为坡度阻力!' 汽车加速行驶时 所需克服惯性的阻力 称为惯性阻力!, 上述这些阻力中 滚动阻力和空气阻力存在于任何条件下 因而在汽车运动时 为克服这些阻力经常需要消耗发动机一定的功率 坡度阻力和惯性阻力则存在于某种行驶条件下 例如汽车在水平路上作等速行驶时 坡度阻力和惯性阻力均不存在 若在纵坡路上作变速行驶 就有坡度阻力和惯性阻力 用于克服上坡时的坡度阻力和加速时的惯性阻力所消耗的功率 在下坡和滑行时尚能部分利用 此时阻力!' 和!, 将是负值 也就成了汽车的驱动力 滚动阻力!0 滚动阻力!0 是车轮在路面上滚动时 因路面与轮胎变形而引起产生的阻力 它与路面种类 状态 车速 轮胎结构及充气压力有关 滚动阻力!0 与轮胎负荷 成正比 即!0)' 全部车轮上的滚动阻力即为!0 '*3

49 道路勘测设计 第二版 式中 车轮负荷 3 * 汽车总重量 3 ' 滚动阻力系数 与路面状况 行驶速度 轮胎的性质等多种因素有关 滚动阻力系数 ' 是车辆在一定条件下滚动时所需的推力与车轮总重之比 即单位车 重所需的推力 滚动阻力系数 ' 是一个综合性的阻力系数 其影响因数较多 它与轮胎 的变形 轮胎与路面间底摩擦 路面的平整度 路面的干燥潮湿程度 路面的清洁及油污程 度 汽车的行驶速度 汽车的构造及量测滚动阻力系数 ' 值的方法等有关系 滚动阻力 系数 ' 的数值由实验确定 在实际应用中可近似的按路面类型选用 表 表 各类路面滚动阻力系数 值 路面类型水泥混凝土及沥青混凝土路面表面平整的黑色碎石路面碎石路面干燥平整的土路潮湿不平整的土路 滚动阻力系数 ' 空气阻力 汽车在空气中运动 空气本身也有运动 两者综合形成的相对运动 造成对汽车行驶 的阻力 汽车在行驶中迎风面受空气阻碍所引起的阻力与汽车迎风面的压力 形状 面积 大小 汽车后面因空气稀薄产生的吸力及汽车表面与空气的摩阻等有关 为了简化计算 采用集中作用的空气阻力!. 来等效各个影响因素的阻力作用 同时称空气阻力!. 的作 用点为汽车的风帆中心 由空气动力学的研究和实验得知 汽车在空气介质中运动时的阻力可用下式确定 即 式中 汽车车速!!. * 3 空气阻力系数 单位是 + 其值可由道路实验 风洞实验等方法测得 * 迎风面积 系汽车在其纵轴的垂直平面上的投影面积 可直接在投影面上测得 乘积 * 称为汽车流线型系数 可用于评定汽车的整体流线型程 度 国产及部分国外车型的 * 实验值可参见表 表 国产及部分国外车型的 实验值 科学出版社职教技术出版中心 车型 *3 车型 *3 北京 红星 长春 "" 格斯 上海 56 格斯 黄河 3 吉斯 天津 吉斯 红旗 " 吉斯 红旗 " 伏尔加 4

50 第二章 汽车行驶理论 坡度阻力 在具有纵向坡度的公路上 当汽车上坡时 重力在平行路面方向的分力与汽车行进的 方向相反 阻碍汽车行驶 此称为坡度阻力或上坡阻力 下坡时 其重力在平行路面方向的 分力与汽车行进的方向相同 形成了坡度助力 坡度阻力与汽车的重力和公路的坡度角 有关 公路纵向斜坡的陡缓程度通常用坡度来表示 坡度是纵坡的垂直高度与其水平长度之比的百分率 若以 ( 代表坡道的坡度 代表坡道的倾角 度 则 ()+) &* 如图 所示 汽车在坡上行驶时 坡度阻力为图 坡度阻力!')7*-' 上坡为正 下坡为负 因为道路纵坡坡度不会大于 8 可用 &* 代替 -' 即有 -'&*)( 故!',*&*,*(3 惯性阻力 汽车变速行驶时 需要克服变速运动所产生的惯性阻力和惯性力矩 这就是惯性阻力 *!, 惯性阻力由两部分组成 汽车加速或减速前进产生的惯性力 %# "%$ 汽车上机械转动部分 飞轮 离合器 车轮等 因加速或减速旋转产生的回转惯性力矩 亦即!, * %# " %$ ( * %# " %$ 3 式中 汽车回转质量换算系数 与车速 变速比有关 汽车车轮惯性影响系数 发动机飞轮惯性影响系数 这样 汽车的总行驶阻力! 为!!0!.!'!, 上述四种阻力 空气阻力和滚动阻力永为正 汽车行驶的任何情况下都存在 坡度阻力汽车上坡为正 平坡为零 下坡为负 而惯性阻力则是加速为正 减速为负 等速为零 汽车的牵引平衡和行驶条件 汽车的牵引平衡 为使汽车运动 汽车的牵引力必须与运动时所遇到的各项阻力之和平衡 即 或 &(( 4!&!0,!'!.,!, *',*( * %#,* " %$

51 道路勘测设计 第二版 式中!' 前之 $ 表示上坡 9 表示下坡!, 前之 $ 表示加速 9 表示减速!0 与!. 恒为正值 式 称为汽车的牵引平衡方程 即汽车的牵引力必须等于各项阻力之和 这是 汽车行驶的必要条件 亦称驱动条件 但必须明确 这还不是汽车行驶的充分条件 汽车的行驶条件 由上面分析可知 汽车行驶的第一个必要条件是 汽车的牵引力必须大于等于汽车的 行驶阻力 但牵引力的产生还必须靠路面对轮胎提供足够的切向反力才能起作用 若轮 胎与路面间摩擦力很小 不能提供足够的附着力 则轮胎将在路面上打滑 甚至空转 汽车 仍不能前进 所以 汽车牵引力的发挥还要受到驱动轮与路面的附着力限制 由此可得汽 车行驶的第二个必要条件是 牵引力必须小于或等于轮胎与路面间的最大摩擦力 即附着 力 即!& % 式中 附着系数 随路面类别 潮湿程度等因数而异 % 作用在所有驱动轮上的路面法向反作用力 一般小汽车为总重的 倍 载重汽车为总重的 倍 式 称为汽车行驶的充分条件 附着条件 式 和式 结合起来即 为汽车行驶的充分和必要条件 亦称为汽车运动的驱动与附着条件 附着程度的好坏主要取决于轮胎与地面在接触处变形后相互摩擦的情况 附着系数 主要与下述因数有关 路面的粗糙程度和潮湿泥泞程度 轮胎花纹和轮胎气压 车速 荷载 车速越高 路表面光滑而潮湿 则附着系数 越低 在计算时可以采用表 所示的附着系数在各种类型的路面上的平均值 路面类型 表 附着系数 路面状况 科学出版社职教技术出版中心 干燥潮湿泥泞冰滑 水泥混凝土路面 沥青混凝土路面 沥青表面处治路 中级及低级路面 动力性能分析汽车的动力性能是指汽车所具有的加速 上坡 最大速度等性能 改善汽车的动力性能 可以提高运输生产率和降低运输成本 这是汽车设计者的任务 对于公路设计者来讲 其任务是了解在公路上行驶的主要车型的动力性能 使所设计的公路能很好地发挥汽车的动力性能 将牵引平衡方程中的!. 移至等号前面 则得到

52 第二章 汽车行驶理论 %#!&!. *',(,* " %$ 等号左边的!&9!. 称为汽车的有效牵引力 或后备牵引力 其值与汽车的构造和行驶速度有关 等号右边各项阻力与道路状况及行驶方式有关 一般不受行驶速度的影响 对式 两侧除以汽车总重 * 就得到汽车单位重量的无量纲牵引平衡方程 消去了 汽车构造系数的影响 即!&!. * ',(, %# " %$!&9!. 式中 左边代表汽车单位重量的有效牵引力 右边为汽车的动力性能 这个数值 * 称为动力因素 用 表示 它表征某型汽车在海平面高程上 满载情况下 每单位车重克 服道路阻力和惯性阻力的性能 随车速而变化 当汽车作等速行驶 %#%$) 则 ',( 式中 )'7( 仅与道路状况和坡度有关 称为道路阻力系数 若道路所在地不在海平面上 汽车也不是满载 由于海拔增高 气压降低 使发动机的 输出功率 汽车的驱动力及空气阻力都随之降低 所以应对动力因素 进行修正 方法 是给 乘以一个修正系数 即 '( 称为动力因素 的海拔荷载修正系数 其值为 式中 海拔系数 满载时汽车的总重力 3 实际装载时汽车的总重力 3 由 )!&9!.!&) * ) 4!.). 可得 4. * 式中 ) &.)!. ) * : 当汽车外特性 曲线已知 由 ) 可算出某一排挡不同曲轴转数时的 车速 即 )'( 进而可绘制动力特性图 )'()'( 利用动力特性 图 可求出汽车在某一行使条件 下所能保持的速度 并可决定汽车克服此行驶阻力所 采用的排挡 同时还可近似地决定所能发出的加速度 以及求得任一排挡时汽车所能克服 (( 的坡度 可以推求道路线形设计所需要的车速 行程时间的变化及坡度性能等数据 汽车在道路上行驶的稳定性 汽车行驶稳定性是指汽车在行驶过程中 在外部因素作用下 尚能保持或很快恢复原

53 道路勘测设计 第二版 行驶状态和方向 不至于失去控制而发生侧滑 倾覆等现象的能力 汽车行驶的稳定性从不同方向来看 有纵向稳定性和横向稳定性两种 从丧失稳定 的方式来看 有滑动稳定性和倾覆稳定性两种 分析和确保汽车行驶的稳定性对于合理 设计汽车结构尺寸 正确设计公路 保证行车安全 提高运输生产率 减轻驾驶员的疲劳强 度 有着十分重要的意义 影响汽车行驶稳定性主要有以下三方面的因素 汽车本身的结构参数 如汽车的整体布置 几何参数 质量参数 轮胎特性 前后悬架的形式等 对汽车行驶的稳定性都有着决定性的影响 驾驶员的因素 如驾驶员开车时的思想集中状况 反应快慢 技术熟练程度 动作灵敏程度等因素对于驾驶员能否做出准确判断 及时采取措施使汽车趋于稳定 确保行车 稳定有着直接关系 作用于汽车的外部因素 主要是汽车和路面间的相互作用因素 如公路的纵向 横向坡度 路面附着情况等 以及汽车作不等速行驶和曲线行驶时惯性力的作用 汽车行驶的纵向稳定性 汽车在行驶过程中 随着运动状态的改变 作用在前后车轮上的法向反作用力亦有相 应的变化 若汽车在某一运动状态下 前轮的法向反作用力为零时 则汽车将发生前轴车 轮离地而导致纵向倾覆 当后轮的法向反作用力为零时 根据附着条件 其牵引力将不复 存在 汽车丧失行驶能力 此两种情况均为汽车的纵向失稳 导致汽车纵向倾覆或倒溜 汽车在直坡道上的受力分析 在图 中 当汽车在直坡道上低等速行驶 忽略滚动阻力 空气阻力影响时 惯性力!,)') 且!.) 此时 对汽车后轮着地点取矩 则可求得前轮垂直反力为 % */-* +-'% */-*+-' 对前轮着地点 取矩 则可得后轮垂直反力为 % */-* +-'% */-*+-' 纵向倾覆当汽车前轮离地即法向作用力为零时 将导致汽车绕后轮纵向倾覆 此时 %) 由于汽车低等速上陡坡行驶 可以忽略次要因素 由式 令 %) 即得纵向倾覆稳 定条件 */-9* +-') 所以 &* + 式中 汽车产生纵向倾覆时 道路纵向极限坡度角 科学出版社职教技术出版中心 由上式可知 当公路的坡度角 时 汽车将失去控制 可能绕后轴产生纵向倾覆 纵向倾覆稳定性仅与汽车结构参数 和 + 有关 越大 则 越大 纵向倾覆稳定性越 好 汽车重心位置越高 则 越小 纵向稳定性越差 一般 + 的数值在汽车设计中考

54 第二章 汽车行驶理论 虑 其比值 + 因此 一般来说纵向倾覆稳定条件容易满足 纵向倒溜 从驱动轮的附着条件可知 当汽车上坡时产生倒溜极限状态时 下滑力与最大附着力 平衡 略去次要因数 则下滑力 )*-' 附着力 )% 将式 代入得驱动轮不产生 滑移的临界条件是 *-' */- *-' + &* +&* 因 和 &* 较小 可略去不计 并且 % * 所以 &* % 式中 汽车发生倒溜时 道路极限坡度角 8 % 驱动轮的轴重 3 * * 汽车总重 3 由以上分析可知 当公路坡度角 时 由于驱动轮附着条件的限制 所能产生的 牵引力不足以克服 的坡度 汽车将发生滑转而倒溜 纵向稳定性的保证 如果 则汽车在坡道上行驶时发生倒溜的现象在倾覆前出现 这样避免了汽车 的纵向倾覆 因此 汽车的设计应满足 &* &* 的条件 亦即 近似处理得 从汽车设计的角度来说 式 即为后轮驱动汽车保证纵向稳定的条件 一般汽车的构造都可以满足上述条件并有富余 但在运输中 装载高度应有所限制 以免重心过 高 + 大 而破坏稳定条件 对于公路设计的角度来说 不仅要保证坡道上行驶的汽车不会纵向倾覆 还应保证不 产生倒溜现象 这就要求公路纵坡满足 亦即 &*&* &* &* % * + 例如 一般载重车满载时 % ) 附着系数 见表 所示 泥泞时可为 * 冰滑时为 代入式 则 泥泞时 &* 冰滑时 &* 这就是确定最大纵坡 (*2) 四级公路山岭重丘区 规定超高横坡 ( 合成坡度

55 道路勘测设计 第二版 (! 等指标的依据之一 汽车行驶的横向稳定性汽车行驶时 常受侧向力的作用及影响 如重力 惯性力等的侧向分力 汽车在侧向力的作用下 当车轮的侧向反作用力达到附着力时 汽车将沿着侧向力的作用方向滑移 侧向力同时将引起左右车轮法向反作用力的改变 当一侧车轮上的法向反作用力变为零时 汽车将发生侧向翻车 因而 汽车行驶时 在侧向力作用下有可能产生横向滑移或横向倾覆 为保证行车的安全稳定 必须分析研究行驶的横向稳定性 汽车在曲线上行驶所产生的横向作用力 图 因为 所以 横向力 为 图 汽车在曲线上行驶的横向力 /-,*-' /--'&*(,*( 式中 $ 表示路拱双坡外侧 9 表示路拱双坡内侧 再有 路面横坡坡角 一般很小 ( 路面横坡坡度 离心力 ) * " # - *# "-,*( # - " *,( 由式 可知 -# 值不决定于 之绝对值 而取决于 即取决于汽车单位重量 的相对横向力值 取 ) * 称为横向力系数 代入式 则 科学出版社职教技术出版中心 *

56 第二章 汽车行驶理论 将车速 #- 化成! 有 # "-,( 则 式中 - 平曲线半径 横向力系数 行车速度! -,( -,( ( 横向坡度 或横向超高 $ 表示向外 9 表示向内 汽车在平曲线上行驶时车轮的反作用力 研究汽车在曲线行驶时驱动轮上的作用力可知 除去切 向力!& 外 还有侧向力 此时 车轮与路面间产生一总反作 用力! 图 按附着力! 的物理意义 总反作用力! 的 极限值应等于附着力! 值 即!! % 同理 切向牵引力!& 的极限值应等于附着力在切向的分力 侧向的横向反力 的极限值应等于附着力在侧向的分 力 即 因为 所以 式中 附着系数 纵 纵向附着系数!& % 纵 % 横!! & 纵 横 图 曲线行驶驱 动轮上的作用力 横 横向附着系数 轮胎接触面在切向和侧向所产生的附着能力是大不相同的 根据实验与经验的总结 一般可采用 横向倾覆 纵 横 汽车在倾斜的横坡面上作曲线运动时 由于横向力的作用 可能产生横向倾覆 产生 横向倾覆的极限条件是 横向力 引起的倾覆力矩等于车重所产生的稳定力矩 由 图 知 倾覆力矩 稳定力矩 + /-,*-' +

57 道路勘测设计 第二版 */-,-'. 由极限平衡条件 则 式中. 汽车轮距 + */-,-'. *,(. ( 与 * 相比甚小 可忽略不计 因此. +* 所以. + * 由式 即可得到汽车不产生倾覆的稳定条件为. + 而在倾覆极限状态时 ). + 代入式 即得到汽车在曲线上行驶时不发生倾覆 的最大车速 #*2 和最小平曲线半径 -' 即 槡 #*2 "-.,( + -' # ".,( + 显然 若汽车的行驶速度 ##*2 或平曲线半径 --' 则汽车都将发生横向倾覆 横向滑移 汽车在平曲线上行驶时 既存在着使汽车向外侧滑移的横向力 同时也存在着阻止 汽车向外侧滑移的横向反力 横向反力受附着条件的限制 即 *2)* 横 称为横向 附着力 当横向力大于横向附着力时 汽车将发生横向滑移 平衡时有 此时 *2 * 横 横 * 科学出版社职教技术出版中心 #*2 槡 "-,( -' " #,( 显然 若汽车的行驶速度 ##*2 或平曲线半径 --' 则汽车将发生横向滑移 横向稳定性的保证比较式 及式 倾覆与滑移现象何者先出现 取决于. 与 + 横的数值 若. + 横 滑移先于倾覆 若. + 横 倾覆先于滑移 现代汽车由于轮距宽 重心低 一般. 之值均大于 + 横 通常. 而 + 横 所以滑移发生先于倾覆 道路设计如能保

58 第二章 汽车行驶理论 证汽车不滑移 横 则也能保证汽车不倾覆 但必须注意 若汽车装货过高 使重心提 高 也有可能出现倾覆现象 故一般对装载高度应有所限制 汽车行驶的纵横组合向稳定性 汽车行驶在具有一定纵坡的小半径平曲线上时 较直线上增加了一项弯道阻力 对 上坡的汽车耗费的功率增加 使行车速度降低 对下坡的汽车有沿纵横组合的合成坡度 方向倾斜 滑移和装载偏重的可能 这对汽车的行驶是危险的 为此 对合成坡度的最大 值应加以限制 以利于行车的稳定性 如图 所示 汽车行驶在纵坡为 (&* 和超高横坡为 (!&* 的下坡路段上 作用在前轴上的荷载 / 为 / 0/- +-' /- 离心力分配在前轴上的荷载 / 为 / # 0 "- -' 因倾角 和 很小 则前轴总荷载为 0+( / // 在平直路段上 作用于前轴的荷载 / 为 / 0 在有平曲线的坡道上 前轴荷载增量与 / 的比值为 对载重汽车 一般 则 / / / + 0 0#! ( # "- (! "- ( 1( # "- (! 在直坡道上 (! 则 1)( 即汽车沿直坡道下坡时 前轴荷载增量与在平直路段前轴荷载的比率等于该路段的纵坡度 在曲线上如果也以直线上相同大小的最大纵坡 (*2 作 为控制 则有下式成立 ( # (! (*2 "- 将 #- 化成! 并整理 得 ((*2 - (! 此式即为汽车沿纵横组合方向的稳定条件 也是最大纵坡在平曲线上的折减条件 汽车的制动性能 汽车的制动性是指汽车在行驶中强制降低车速以至停车 或在下坡时保持一定速度

59 道路勘测设计 第二版 行驶的能力 汽车制动性能的好坏 直接关系到汽车行驶的安全 只有当汽车具有良好的制动性能 时 才能保证行车安全 提高汽车的行驶速度 充分发挥汽车的其他使用性能 以提高其平 均行驶速度 从而获得较高的运输生产率 汽车的制动过程分析 汽车的制动过程就是人为地增加汽车的行驶阻力使汽车的动能或位能 当汽车下坡 行驶时 转化为其他形式的能 一般为热能 车轮制动是利用制动器内的摩擦阻力矩来 形成与汽车运动方向相反的路面对车轮的切向摩擦阻力 简称为车轮制动力 车轮制动力随制动摩擦阻力矩的增加而增加 这时车轮仍然处于滚动状态 它等于 车轮对地面的垂直载力 与轮胎和地面的摩擦系数 的乘积 可见 车辆在制动过程 中 地面与轮胎之间的摩擦力在不断增长 大量试验证明 一个弹性轮胎在路面上滚动过程中制动时 其摩擦系数不是理论 上的纯滚动状态下达到最大值 而是在部分滑动时才达到最大值 若用滑移率 ) #9 # 式中 # 分别为车轮平移的线速度 车轮角速度 工作半径来代表滑移与滚动的百分比 则弹性轮胎能传递的最大切向力发生在滑移率为 左右 滑移率 是个极值点 在这个点上摩擦系数达到最大值 再继续滑移 将形成一种不 稳定状态 摩擦系数将迅速下降到全滑移时的摩擦系数 为了说明弹性轮胎的这种特性 把橡胶轮胎的摩擦系数确切地称为道路附着系数 汽车在制动过程中 随车轮制动力的不断增长 轮胎的滚动也不断增加滑移量 这种 滑移现象 在坚硬的路面上则逐渐出现有清晰的轮胎花纹印痕 通常称为 压印 从轮 胎局部滑移到全滑移的过程中 轮胎花纹的黑印长度逐渐增加至连成一片 通常称为 拖 印 这时 车轮已被制动器抱死 当车轮制动力已达到附着力的极限时 抱死 滚动阻力消失 制动器已不能吸收能 量 汽车原有的能量均消耗于轮胎与路面之间的摩擦而转化为热能 使轮胎剧烈发热而降 低了胎面的强度 造成附着系数的降低和胎面剧烈的磨损 除此之外 车轮抱死滑移时还 将失去承受侧向力的能力 使汽车行驶稳定性受到破坏 汽车使用的实践经验表明 经验 丰富的驾驶员在滑路上往往是采用连续点式制动的方法获得最大的制动效果 而不致使 汽车滑溜以确保制动的安全 汽车在下坡时 制动器就要较长时间地 连续地作强度较大的制动 制动器温度常在 ; 以上 有时高达 ; 制动器温度上升后 其摩擦力矩将显著下降 当温度超过 ; 时 制动力矩仅为通常温度时的 因此 在公路设计时 坡度不宜 过长 在连续下坡的山区公路 须设置缓和坡段 另外 为了避免制动器长时间工作而过 热 或在滑溜的路上 避免制动力过大而引起车轮侧滑 通常使变速器挂入低速挡 利用发 动机起一部分制动作用 制动时汽车的运动方程 汽车的制动是由于车轮制动的作用 车轮上的最大制动力 取决于轮胎与路面的附着 科学出版社职教技术出版中心

60 第二章 汽车行驶理论 力 因此 作用在汽车上的最大制动力为!*2 式中 传到制动轮上的车重力 当前后轮都制动时 )* 轮胎与地面之间的附着系数 可按路面状况为一般潮湿状态采用 汽车制动减速行驶时 作用于车轮上的力矩方向与行驶方向相反 其余各项运动阻 力与牵引行驶时一样存在 因此 这时汽车的运动力平衡方程可写为!!0,!'!.!, 由于制动初速度不高及速度下降迅速 故空气阻力可略去不计 即!. 式 可简化为 又因道路阻力系数 即 汽车制动性能的评价指标!!0,!'!, ',( * * * " %# %$ 汽车制动性能的评价指标是 制动减速度 制动时间和制动距离 制动减速度 - 从式 中可知 制动减速度 -- 为 - %# %$ " 取路面状况为干燥状态的 值 制动减速度 -- 值可达 - 实际使用中 为防止轮胎损耗 减少燃料消耗及为了乘客舒适 一般情况下 - - 只有在紧急情况下才有 -- 制动时间 $- 汽车制动时 如果地面制动力达到了附着极限而保持不变 则可以认为这时汽车是作等减速行驶 因此 理论上开始制动到车辆停止的制动时间可计算为 $- $ %$ " %# " 式中 汽车在开始制动时的速度! 实际制动时间因司机反应及制动生效延迟 要比式 所确定的大 因为从驾驶员开始得到制动信号起 到制动器完全发生作用为止 需要经过一段时间 这段时间取决于驾驶者的反应时间 即驾驶者从看到障碍物的时间起 到踩下制动蹬时为止的时间 其值变化于 - 和制动生效时间 由开始踏制动蹬到制动器生效 并使制动减速度增至最大值时所需的时间 对液压式制动可采用 - 对气压式制动可用 -

61 道路勘测设计 第二版 在公路设计中 通常这两部分时间之和为 - 制动距离 - 由式 可知 - % " #%# 将 #- 化为! 并积分得 - 式中 制动时的初速度及制动后的终速度! 若制动完全停止 ) 则 - 考虑到驾驶员的反应时间和制动有效时间 以及实际使用中有时制动不充分而采用一个使用系数 或称制动系数 汽车制动减速行驶的全部制动距离应为 - $- 式中 制动实际使用系数 或称制动系数 其值在 公路设计中一般可 取为 汽车的行驶性能有哪些 思 考 题 为什么汽车的行驶速度越高 作用在汽车上的牵引力反而越小 汽车在弯道上行驶会产生横向失稳吗 行驶在弯道内侧要比在外侧显得稳定吗 科学出版社职教技术出版中心 假设车轮距为 装载重心高度 +) 曲线半径 -) 路拱横坡 ()7 求倾覆的临界速度 在冰雪覆盖的光滑路面上 以保持转弯时 不超过 问 在半径为 超高率为 的弯道上 行车速度不应超过多少 汽车在行驶过程中 受到哪些阻力的影响 影响阻力大小的因素有哪些 汽车行驶的两个条件是什么 试论述汽车的制动过程

62 第三章 平面设计 概 述 路线平面的基本线形 道路是一条三维空间的实体 它是由路基 路面 桥梁 涵洞 隧道和沿线设施所组成的线形构造物 一般所说的路线 是指道路中线的空间位置 路线在水平面上的投影称 作路线的平面 沿中线竖直剖切再行展开则是路线的纵断面 中线上任意一点的法向切 面是道路在该点的横断面 路线设计是指确定路线空间位置和各部分几何尺寸的工作 为研究的方便 把它分解为路线平面设计 路线纵断面设计和横断面设计 三者是相互关 联的 既分别进行 又综合考虑 无论是公路还是城市道路 其路线位置受社会经济 自然地理和技术条件等因素的制 约 设计者的任务就是在调查研究 掌握大量材料的基础上 设计出一条有一定技术标 准 满足行车要求且工程费用最省的路线来 在设计的顺序上 一般是在尽量顾及纵 横 断面平衡的前提下先定平面 沿这个平面线形进行高程测量和横断面测量 取得地面线和地 质 水文及其他必要的资料后 再设计纵断面和横断面 为求得线形均衡和土石方数量的节 省 必要时再修改平面 这样经过几次反复 可望得到一个满意的结果 路线设计的范围 只 限于路线的几何性质 不涉及结构 结构设计在路基路面和桥梁工程等课程中讲述 路线的平面线形是指由直线 圆曲线和缓和曲线组成的平面线形 如图 所示 图 路线的平面线形 平面线形设计的基本要求 汽车行驶轨迹 现代道路是供汽车行驶的 所以研究汽车行驶规律是道路设计的基本课题 而在路线的平面设计中 主要考察汽车行驶轨迹 只有当平面线型与这个轨迹相符合或相接近时 才

63 道路勘测设计 第二版 能保证行车的顺适与安全 特别是在高速行驶的情况下 对行驶轨迹的研究更显其重要 经过大量的观测研究表明 行驶中的汽车 其轨迹在几何性质上有以下特征 图 不连续的路线 这个轨迹是连续的和圆滑的 即在任何一点上不出现错头和破折 其曲率是连续的 即轨迹上任一点不出现两个曲率的值 其曲率的变化率是连续的 即轨迹上任一点不出现两个曲率变化率的值 所示 满足了上述第 条 但不满足第 条的路线如图 所示 不满足上述第 条的路线如图 图 曲率不连续的路线 同时满足第 条的路线如图 所示 但其曲率的变化率是不连续的 即不满足 第 条的要求 现代高等级道路一般采用如图 和图 类型的平面线型 它与汽车 的行驶轨迹偏离不大 虽不是完全可循的 但实践证明却是很好的线型 平面线形要素 行驶中的汽车其导向轮旋转面与车身纵轴之间有下列三种关系 角度为零 角度为常数 科学出版社职教技术出版中心

64 第三章 平面设计 图 曲率连续的路线 角度为变数 与上述三种状态对应的行驶轨迹线为 曲率为零的线形 直线 曲率为常数的线形 圆曲线 曲率为变数的线形 缓和曲线 公路平面线形由直线和平曲线组合而成 平曲线又分为圆曲线和缓和曲线两种 高 速公路和一 二 三级公路平面线形要素有直线 圆曲线和缓和曲线三种 对于四级公路 平面线形要素可只有直线和圆曲线两种 组成道路平面线形的直线 圆曲线及缓和曲线 称之为 平面线形三要素 三要素是道路平面线形的基本组成 各要素所占比例及使用频率并无规定 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 直 线 直线的特点 作为平面线形要素之一的直线 在公路和城市道路中使用最为广泛 因为两点之间以直线为最短 一般在定线时 只要地势平坦 无大的地物障碍 定线人员都首先考虑使用 直线通过 加之笔直的道路给人以短捷 直达的良好印象 在美学上直线也有其自身的特 点 汽车在直线上行驶受力简单 方向明确 驾驶操作简易 从测设上看 直线只需定出

65 道路勘测设计 第二版 两点 就可方便地测定方向和距离 基于直线的这些优点 在各种线形工程中都被广泛 使用 因为直线容易布置 且所连接的两点间距离最短 所以直线被认为是较好的线形 但是在长直线上高速行车 景观平静单调 易使驾驶员滋生疲劳反应 注意力分散 有时急于加速行驶 往往对车距失去判断 造成恶性交通事故 另外直线线形大多难于与地形相协调 若长度运用不当 不仅破坏了线形的连续性 也不便达到线形设计自身的协调 所以在运用直线线形并决定其长度时 必须持谨慎态度 不宜采用过长的直线 直线的运用 下述路段可采用直线 不受地形 地物限制的平坦地区或山间的开阔谷地 市镇及其近郊 或规划方正的农耕区等以直线条为主的地区 长大桥梁 隧道等构造物路段 路线交叉点及其前后 双车道公路提供超车的路段 直线的最大长度应有所限制 当采用长的直线线形时 为弥补景观单调之缺陷 应结合沿线具体情况采取相应的技术措施并注意下述问题 在长直线上纵坡不宜过大 因长直线再加下陡坡行驶更易导致高速度 长直线与大半径凹形竖曲线组合为宜 这样可以使生硬呆板的直线得到一些缓和 图 图 长直线与凹型竖曲线组合 道路两侧地形过于空旷时 宜采取植不同树种或设置一定建筑物 雕塑 广告牌等措施 以改善单调的景观 长直线或长下坡尽头的平曲线除曲线半径 超高和视距等必须符合规定外 还必须采取设置标志 增加路面抗滑能力等安全措施 直线的长度 直线的最大长度 科学出版社职教技术出版中心 长直线 的量化是一个需要研究的课题 有些国家在长直线的运用上有条件地加以限制 意大利和日本这样的多山之国 高速公路平面以曲线为主 如日本和德国规定直线

66 第三章 平面设计 最大长度为 是设计速度 用! 表示 或以不超过设计速度的 - 行程 单位 以 计 西班牙规定不宜超过 的设计速度行驶 - 法国认为长直线宜采用至少为 半径的平曲线代替 美国和俄罗斯这样的地广人稀之国 线形以直线为主 而又有所区别 美国规定线形应尽可能直捷 但应与地形一致 前苏联对直线的运用未有限制 且部分类似于高速公路的快速干道不封闭 美国和俄罗斯均具有土地资源丰富的特点 采用宽中央分隔带改善路容 设置低路堤缓边坡增加直线上高速行车的安全度 这方面显 然不适合我国国情 我国对长直线的运用参照日本经验并与德国相近 最大直线长度一 般不超过 如京津塘和济青高速公路的直线长不超过 沈大高速公路多处出 现 至 的长直线 最大 经过对不同路段 按! 的行驶车速对驾驶 人员和乘客调查其心理反应和感受 有如下结果 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 其高低均被纳入视线范围 驾驶员和乘客无直线过长希望驶出的不良反应 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 绿色少 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 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 除了直线别无其他选择 人为设置弯道不 但不能改善其单调 反而增加路线长度 由此看来 直线的最大长度 在城镇附近或其他景色有变化的地点大于 是可以 接受的 在景色单调的地点最好控制在 以内 而在特殊的地理条件下应特殊处理 若 作某种限制看来是不现实的 但是必须强调 无论是汽车专用公路还是一般公路在任何情况下都要避免追求长直 线的错误倾向 直线的最小长度 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 这个直线 长度是指前一曲线的终点 缓直 6 或圆直 到后一曲线起点 直缓 6 或直圆 之 间的长度 同向曲线间的直线最小长度 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的曲线看成为反向曲 线的错觉 当直线过短时甚至把两个曲线看成是一个曲线 这种线形 图 破坏了线形 的连续性 且容易造成驾驶操作的失误 设计中应尽量避免 由于这种线形组合所产生的 缺陷是来自司机的错觉 所以若将两曲线拉开 也就是限制中间直线的最短长度 使对向 曲线在司机的视觉以外则可以避免上述缺点 大量的观测资料证明 行车速度愈高 司机 愈是注视远处的目标 这个距离 以 计 在数值上大约是行车速度 以! 计 的 倍 所以 公路路线设计规范 # 推荐同向曲线间的最短直线长度以不小 于 为宜 这种要求在车速较高的道路! 上宜尽可能保证 而对于低速道 路! 则有所放宽 参考执行即可 在受到条件限制时 无论是高速路还是低

67 道路勘测设计 第二版 速路 都宜将在同向曲线间插入大半径曲线或将两曲线做成复曲线 卵型曲线或 " 型 曲线 反向曲线间的直线最小长度 图 同向曲线间插入短直线 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人员转 向操作的需要 如无缓和曲线时 宜设置一定长度的直线 公路路线设计规范 # 规定反向曲线间最小直线长度 以 计 以不小于行车速度 以! 计 的 倍为宜 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 线首尾相接 但被连接的二缓和曲线和圆曲线宜满足一定的条件 圆曲线的线形特征 圆 曲 线 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 路线平面线形中常用的单曲线 复曲线及回头曲线等 一般均包含了圆曲线 圆 科学出版社职教技术出版中心 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 使用十分普遍 四级公路可以不设缓和曲线 其他各级公路 当曲线半径大于或等于 不设缓和曲线的半径 时也可不设缓和曲线 所以此类弯道的平曲线中 只有圆曲线 其几何元素 图 为 ) -&* 图 圆曲线几何元素 式中 ) 切线长 曲线长 )

68 第三章 平面设计 外距 校正数或称超距 - 圆曲线半径 转角 8 三级和三级以上的公路当设置有缓和曲线时 其曲线元素见 节 汽车在圆曲线上的行驶特性 行驶在曲线上的汽车由于受离心力作用其稳定性受到影响 而离心力的大小又与曲 线半径密切相关 半径愈小愈不利 所以在选择平曲线半径时应尽可能采用较大的值 只 有在地形或其他条件受到限制时才可使用较小的曲线半径 为了行车的安全与舒适 公 路工程技术标准 规定了圆曲线半径在不同情况下的最小值 由第二章 根据汽车行驶在曲线上力的平衡式 得 式中 行车速度! -,( 横向力系数 ( 超高横坡度 在指定车速 下 最小 -' 决定于容许的最大横向力系数 *2 和该曲线的最大超高 (*2 对这些因素讨论如下 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滑移 这就要求横向力系数 低 于轮胎与路面之间所能提供的横向摩阻系数 ' ' 式中 ' 与车速 路面种类及状态 轮胎状态等有关 一般在干燥路面上为 在潮 湿的黑色路面上汽车高速行驶时 降低到 路面结冰和积雪时 降到 以 下 在光滑的冰面上可降到 不加防滑链 增加驾驶操纵的困难 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 使轮胎的中间平 面与轮迹前进方向形成一个横向偏移角 图 其存在增加了汽车在方向操纵上的困 难 特别是车速较高时 如果横向偏移角超过了 8 一般司机就不易保持驾驶方向上的 稳定 增加燃料消耗和轮胎磨损横向力系数 的存在使车辆的燃油消耗和轮胎磨损增加 表 是实测的增加百分比

69 道路勘测设计 第二版 图 汽车轮胎的横向偏移角 表 燃料消耗和轮胎磨损增加值 横向力系数 燃料消耗 轮胎磨损 行旅不舒适横向力系数 值过大 汽车不仅不能连续稳定行驶 有时还需要减速 在曲线半径小 的弯道上司机要尽量大回转 容易离开行车道发生事故 当 超过一定数值时 司机就要 注意采用增加汽车稳定性的措施 这一切都增加了驾驶者在弯道行驶中的紧张 对于乘 客来说 值的增大 同样感到不舒适 据试验 乘客随 的变化其心理反应如下 当 时 不感到有曲线存在 很平稳 当 ) 时 稍感到有曲线存在 尚平稳 当 ) 时 已感到有曲线存在 稍感不稳定 当 ) 时 感到有曲线存在 不稳定 当 时 非常不稳定 有倾车的危险感 综上所述 值的采用关系到行车的安全 经济与舒适 为计算最小平曲线半径 应 考虑各方面因素采用一个舒适的 值 研究指出 的舒适界限 由 到 随行车 速度而变化 设计中对高 低速路可取不同的数值 科学出版社职教技术出版中心 关于最大超高 (*2 在车速较高的情况下为了平衡离心力要用较大的超高 但道路上行驶车辆的速度并 不一致 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 对于慢

70 第三章 平面设计 车 乃至因故暂停在弯道上的车辆 其离心力接近于 或等于 如超高率过大 超出轮胎与路面间的横向摩阻系数 车辆有沿着路面最大合成坡度下滑的危险 因此必须 (*2 '. 式中 '. 年中气候恶劣季节路面的横向摩阻系数 制定最大超高坡度 (*2 除根据道路所在地区的气候条件外 还必须给予驾驶者和乘客以心理上的安全感 对重山区 城市附近 交叉口以及有相当数量非机动车行驶的道路 最大超高还要比一般道路小些 我国 公路工程技术标准 对公路最大超高的规定见表 城市道路设计规范 " 对城市道路最大超高的规定见表 表 公路最大超高值 公路等级高速公路一二三四一般地区 积雪冰冻地区 表 城市道路最大超高值 设计速度! 最大超高横坡度 圆曲线的半径和长度 极限最小半径的计算 根据以上所述 横向力系数 视设计车速采用 最大超高视道路的不同 环境 公路用 城市道路用 按式 计算得 极限最小 半径 我国 公路工程技术标准 和 城市道路设计规范 " 中所制定的极限最小半径是考虑了我国的具体情况 并参照国外资料 根据表列最大横向力系数 *2 和最大超高 (*2 值 得出极限最小半径值将其结果取整归纳而得出的 见 表 表 极限最小半径 设计速度! 一般地区 *2 最大超高 (*2 极限最小半径是路线设计中的极限值 是在特殊困难的条件下不得已才使用的 一般不轻易采用 一般最小半径 圆曲线的最小半径 一方面要考虑汽车在这种半径的曲线上以设计速度或以接近设 计速度行驶时 旅客有充分的舒适感 另一方面也要注意到在地形比较复杂的情况下不会 过多地增加工程量 为此 公路工程技术标准 和 公路路线设计规 范 # 规定了一般最小半径 取值见表

71 道路勘测设计 第二版 表 一般最小半径 设计速度! 值 ( 值 一般最小半径 不设超高的最小半径路面上不设超高 对于行驶在曲线外侧车道上的车辆来说是 反超高 其 ( 值应为 负 大小与路拱坡度相同 从舒适和安全的角度考虑 也应取尽可能小的值 以使乘客 行驶在曲线上有与在直线上大致相同的感觉 我国 公路工程技术标准 所制定的 不设超高的最小半径 是取 )() 9 或 )() 9 按式 计算取整得来的 同时还应考虑到现实的路拱横坡在高速 一 二 三级公路上还有 ( 的情况 如仅采用原来的一组不设超高最小半径值 会得出按公 式推算的值 过大 因此 建议当路拱横坡为 时 值采用 当路拱横坡为 时 值采用 现将我国 公路工程技术标准 和 城市道路设计规范 " 中所规定的圆曲线最小半径列表如表 和表 所示 表 不设超高的最小半径 公路等级高速公路一级二级三级四级 设计速度! 不设超高最 小半径 ( ( 表 城市道路圆曲线最小半径 设计速度! 设超高推荐半径 科学出版社职教技术出版中心 不设超高最小半径 设超高最小半径 最小半径的选用各级公路设计 应根据沿线地形等情况 尽量选用较大半径 极限最小半径一般尽可 能不用 当不得已采用极限最小半径时 应注意前后线形的协调 从目前国内已建公路的 调研情况看 山岭区公路采用比极限最小半径稍大的半径的路段 尽管也做到了线形指标 的逐渐过渡 但很难引起驾驶员的足够注意 行车速度一般不会有大的改变 极限最小半 径的曲线不仅表现出行车不舒适 而且往往因超高与速度不匹配导致驾驶操作不当引发 事故 圆曲线半径较小时 车辆行驶速度一般会有所降低 但对于陡的下坡路段 往往由于汽车的动量关系 容易导致车辆加速行驶 造成圆曲线上车速增高 影响行车安全 因此 当公路平面必须设置小于一般最小半径的小半径曲线时 应根据纵坡设置情况适当加大曲线半径

72 第三章 平面设计 圆曲线最大半径 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量采用大半径 但半径大到一定程度时 容易给驾驶人员造成判断上的错误反而带来不良后果 设置大 半径平曲线 可能会产生两种不利情况 一是为控制曲线长度易形成小偏角 二是为加大 偏角而设置长大曲线 车辆行驶在长大曲线上 尽管曲线本身较直线柔和 但驾驶员在同曲率半径曲线上行 驶时方向盘几乎与直线上一样无须做大的调整 如果半径 视线集中的 范围内视觉效果近乎直线 同样易使驾驶员疲劳或为追求新的环境加快行车速度而导致车祸 而且其几何性质和行车条件与直线无太大区别 却无谓增加计算和测量上 的麻烦 因此设计中应结合地形等条件 合理设置曲线转角与半径 所以 公路路线设计 规范 # 规定圆曲线的最大半径不宜超过 缓和曲线 缓和曲线是道路平面线形要素之一 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 其余各级公路都应设置缓和曲线 在现代高速公路上 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 在城市道路上 缓和曲线也被广泛地使用 下面就缓和曲线的性质 参数 长 度 设计方法等加以讨论 缓和曲线的线形特征与作用 缓和曲线的作用 曲率连续变化 便于车辆遵循汽车在转弯行驶的过程中 存在一条曲率连续变化的轨迹线 无论车速高低这条轨迹 线都是客观存在的 它的形式和长度则随行驶速度 曲率半径和司机转动方向盘的快慢而 定 在低速行驶时 司机尚可利用路面的富余宽度在一定程度上把汽车保持在车道范围 之内 缓和曲线似乎没有必要 但在高速行驶或曲率急变时 汽车则有可能超越自己的车 道驶出一条很长的过渡性的轨迹线 从安全的角度出发 有必要设置一条驾驶者易于遵 循的路线 使车辆在进入或离开圆曲线时不致侵入邻近的车道 离心加速度逐渐变化 旅客感觉舒适 汽车行驶在曲线上产生离心力 离心力的大小与曲线的曲率成正比 汽车由直线驶 入圆曲线或由圆曲线驶入直线 由于曲率的突变会使乘客有不舒适的感觉 所以应在曲 率不同的两曲线之间设置一条过渡性的曲线以缓和离心加速度的变化 超高横坡度逐渐变化 行车更加平稳 行车道从直线上的双坡断面过渡到圆曲线上的单坡断面和由直线上的正常宽度过渡 到圆曲线上的加宽宽度 一般情况下是在缓和曲线长度内完成的 为避免车辆在这一过

73 道路勘测设计 第二版 渡行驶中急剧地左右摇摆 并保证路容的美观 设置一定长度的缓和曲线也是必要的 与圆曲线配合得当 增加线形美观圆曲线与直线径相连接 在连接处曲率突变 在视觉上有不平顺的感觉 设置缓和曲线以后 线形连续圆滑 增加线形的美观 同时从外观上看也感到安全 收到显著效果 图 缓和曲线的线形特征 图 直线与曲线连接效果图 根据上述对缓和曲线作用的要求 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 规定缓和曲线采用回旋线 回旋线的数学表达式 回旋线的基本公式为 0 式中 回旋线上某点的曲率半径 0 回旋线上某点到原点的曲线长 回旋线的参数 表征回旋线曲率变化的缓急程度 在回旋线的任意点上 因此参数 是随 0 的变化而变化的 但在缓和曲线的终点处 0)-)- 上式可写作 -- - 槡 - 式中 - 回旋线所连接的圆曲线半径 - 回旋线型的缓和曲线长度 设计上可以由已知 - 和 - 计算 也可以按各种条件选择 - 和 再计算 - 图 为回旋线及其应用范围 图 是回旋线的曲率变化 如图 所示 在回旋线上任意点! 取微分单元 则有 %0% %%0/- %%0-' 科学出版社职教技术出版中心

74 第三章 平面设计 图 回旋线图 图 回旋线的曲率变化 以 0) 代入得 当 0) )%0) % 积分得 %0 0 % 以 0) 代入得 0 0 再代入式 和式 得 槡 % /-% 槡 % -'% 槡 将上式积分并将 -' /- 用级数展开整理即得用参数 和 0 表示的回旋线直角坐标方程为 在回旋线终点处 0)-)- 于是 用切线支距法敷设回旋线 用近似公式

75 道路勘测设计 第二版 式中 0 任意点的弧长 0 0 )--- 是圆曲线半径 - 是缓和曲线长度 应用上 上述长度单位均以 计 回旋线的相似性 回旋线的曲率是连续变化的 而且其曲率的变化与曲线长度的变化呈线性关系 为 此 可以认为回旋线的形状只有一种 只需改变参数 就能得到不同大小的回旋曲线 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素的计算和编制曲线 表很有用处 ) 时的回旋曲线叫单位回旋曲线 根据相似性 可由单位回旋曲线要素计算任意回旋曲线的要素 在各要素中 又分长度要素 如切线长 曲线长 内移值 直角坐标等 和 非长度要素 如缓和曲线角 弦偏角等 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 : 回旋线非长度要素 ) 单位回旋线非长度要素 汽车在缓和曲线上的行驶特性分析 考察汽车由直线进入圆曲线的行驶轨迹 先假定汽车是等速行驶 司机匀速转动方向 盘 当方向盘转动角度为 时 前轮相应转动角度为 它们之间的关系为 式中 为小于 的系数 而 $ 式中 方向盘转动的角速度 *%- $ 行驶时间 - 此时汽车前轮的转向角为 图 汽车的转弯行驶 由式 得 $) 2 代入式 得 $ 设汽车前后轮轴距为 2 前轮转动 后 汽车的行驶轨迹曲线半径为 由图 可知 2 &* 由于 很小 可以近似地 科学出版社职教技术出版中心 $ 汽车以 #- 等速行驶 经时间 $+ 以后 其行驶距离 弧长 0 为 0#$

76 第三章 平面设计 式中 #2 均为常数 令 则 0# 2 #2 0 或 0 式中 0 汽车自直线终点开始转弯 经 $ 后行驶的距离 汽车行驶 $ 后在 0 处的曲率半径 常数 推证说明 汽车匀速从直线进入圆曲线 或相反 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 缓和曲线的长度及参数的设计标准 缓和曲线的最小长度 由于车辆要在缓和曲线上完成不同曲率的过渡行驶 所以要求缓和曲线有足够的长度 以使司机能从容地打方向盘 乘客感觉舒适 线形美观流畅 圆曲线上的超高和加宽的 过渡也能在缓和曲线内完成 所以 应规定缓和曲线的最小长度 可从以下几方面考虑 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曲率的变化而变化 若变化过 快 将会使旅客有不舒适的感觉 离心加速度的变化率 式中 # 汽车行驶速度 - - 圆曲线半径 3 离心加速度 $ # -$ $ 汽车在缓和曲线上的行驶时间 - 在等速行驶的情况下 于是 $ - # - # 式中 汽车行驶速度! 按式 所表示的关系 可以推出缓和曲线最小长度公式

77 道路勘测设计 第二版 -' - 选定能保证舒适的最大的 - 则可得出在一定车速和一定圆曲线半径下的最短缓和曲线长度 我们称 - 为 缓和系数 采用值各国不一致 缓和曲线的设置铁路比公路早 铁路上采用 - 单位为 - 约为 0&- 公路上参考这一规定建议 - 于 是缓和曲线的最小长度 -' - 设计中可根据实际情况选用不同的 - 值 高速路要小些 低速路大些 平原区要小些 山岭区大些 直通路要小些 交叉口大些 超高渐变率适中 由于在缓和曲线上设置有超高缓和段 如果缓和段太短则会因路面急剧地由双坡变 为单坡而形成一种扭曲的面 对行车和路容均不利 在超高过渡段上 路面外侧逐渐抬 高 从而形成一个 附加坡度 当圆曲线上的超高值一定时 这个附加坡度就取决于缓和 段长 附加坡度 或称超高渐变率 太大和太小都不好 太大对行车不利 太小对排水不 利 公路路线设计规范 # 规定了适中的超高渐变率 由此可导出计算 缓和段最小长度的公式 -' ( 4 式中 旋转轴至行车道 设路缘带时为路缘带 外侧边缘的宽度 ( 超高坡度与路拱坡度代数差 4 超高渐变率 即旋转轴线与行车道外侧边缘线之间的相对坡度 上式的推导和关于 4 的规定详见第五章 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 - 于是 -' 考虑了上述影响缓和曲线长度的各项因素 公路工程技术标准 制定了各级公路缓和曲线最小长度 见表 城市道路设计规范 " 制定了 城市道路的最小缓和曲线长度 见表 表 各级公路缓和曲线最小长度 科学出版社职教技术出版中心 设计速度! 缓和曲线最小长度 表 城市道路缓和曲线最小长度 设计速度! 缓和曲线最小长度