公路纵坡坡度和坡长限制指标的确定

Vol121　No17

公　路　交　通　科　技

JOURNALOFHIGHWAYANDTRANSPORTATIONRESEARCHANDDEVELOPMENT

2004年7月

文章编号:1002Ο0268(2004)07Ο0001Ο04

公路纵坡坡度和坡长限制指标的确定

周荣贵

1,3

,江立生,孙家风

23

(11北京工业大学,北京　100022;21浙江省交通厅工程质量监督站,浙江　杭州　310009;

31交通部公路科学研究所,北京　100088)

摘要:针对我国的主流货运车型与载重吨位,根据实车装载上坡试验,研究车辆在上坡行驶时,纵坡坡度与车辆行驶速度以及速度随坡长的变化规律,确定典型货车在不同坡度下的上坡性能曲线;通过速度折减量与坡长之间的关系曲线,提出基于运行速度差和满足公路服务水平要求的各级公路最大纵坡坡度与坡长限制值。关键词:公路纵坡坡度;坡长限制;运行速度;速度差中图分类号:U412133　　　　　　文献标识码:A

TheStudyofHighwayΟgui

1,3

,,SUNJiaΟfeng

23

(11University,Beijing　100022,China;

21SZheJiangDepartmentofTransportation,Zhejiang　Hangzhou　310009,China;

31HighwayResearchInstituteofMOC,Beijing　100088,China)

Abstract:Thispaperfocusesonthehighwaygradientandgradelengthlimitbyresearchingtruck’sdynamicperformanceinupgradeclimbing1WithroadΟtest,statisticsandtheoreticanalysis,basedontypicaltruckandload,thepaperstudies

theregularityofaccelera2tionanddecelerationindifferentgradient1Byanalyzingtherelationshipbetweenspeedloss,speeddiscountindifferentgradientandgradelength,thepaperalsobringsforwardthemaximumlongitudinalgradientandgradelengthlimit1Keywords:Longitudinalgradient;Gradelengthlimit;Operatingspeed;Speeddifference

0　概述

上世纪90年代初的研究成果。经过10多年时间,我国高速公路已进入高速发展时期,同时也带动了汽车行业的更新发展,汽车动力性能逐渐提高。因此,适时修订公路纵坡坡度与坡长限制标准已成为历次标准、规范修订会上众多专家的共识。1　研究方法与分析步骤

公路纵断面设计不仅影响公路里程的长短、工程投资规模的大小、自然环境的破坏程度,而且还会影响车辆的行车安全、公路的通行能力、运输效益等。特别是在西部公路开发建设中需要修建的大量山区高速公路,由于所处的地形起伏较大,常常需要连续升坡或连续降坡。面对地形、地质情况复杂,工程量巨大、环境保护工作难度大等因素,如何保证公路的安全、经济、舒适,环保,公路纵断面设计起着举足轻重的作用。因此,合理的纵坡坡度和坡长既能克服高差又能保证工程经济合理的关键性设计指标。

现行《公路工程技术标准》(JTJ001Ο97)中关于公路纵坡与坡长长度限制的有关规定,主要依据的是

收稿日期:2004Ο04Ο22

根据汽车动力学理论,每一种车辆的运行特征是可以通过计算得到的,但是在实际使用过程中,由于司机操作习惯的不同,地形气候条件的差别,道路与交通条件的变化以及车辆本身使用年限不一,都会导致理论计算与实际相差很大的结果,很难找出与实际相符的纵坡与车辆运行速度的相互关系。因此,为了得到可供实际使用的结果,本研究从实际出发,采用

作者简介:周荣贵(1965-),男,北京人,研究员,主要从事公路路线设计与通行能力研究1

公路交通科技　2004年　第7期

实地试验、数理统计和理论分析相结合的技术路线,针对我国目前及今后一段时间内使用的主要车型,通过排除其它影响因素的实地试验和基于车辆动力学平衡的理论分析方法,研究车辆在上坡行驶时,纵坡坡度与车辆行驶速度以及速度随坡长的变化规律;结合车辆动力学平衡的理论分析,确定车辆上坡行驶的平衡速度,作为野外试验数据的校核检验。试验分析步骤如下:

(1)确定典型货车在不同坡度下的加速、减速冲坡的上坡性能曲线;

(2)调查正常驾驶时,不同坡度下驾驶员的驾驶行为如档位操作和速度变化情况;

(3)理论分析典型货车不同档位、不同坡度下的上坡、下坡平衡速度;

(4)理论分析与现场试验相结合,综合分析确定最大纵坡和相应的坡长限制值,为技术标准的修订提供技术支持。

2　试验车与观测路段的选取

关系

试验结果表明:车辆行驶速度在纵坡上不可避免地受到影响。在上坡道上载重汽车能保持的最大速度主要取决于坡度、坡长以及车辆的功率Π重量比和驶入速度,而风的阻力和驾驶员技能等因素只有很小的影响。在同一坡度下,平均速度主要受车辆驶入速度的影响,驶入速度越大,其平均车速就越大,与坡长的关系次之。

根据上坡和下坡的观测数据,通过回归分析得到图2所示的载重汽车在上下坡道上平均速度与坡度的关系。从该曲线图可以看出:自由流状态下的载重汽车在上坡段速度降低幅度要比下坡段剧烈。在上坡段,速度随着纵坡坡度的增加而逐渐下降。在下坡道上,在纵坡坡度超过415%,

速度并不随着下坡度的增加而增大,反而开始下降。一定值时,,在坡,,过大的陡,迫使司由于我国各车型的运行特性差异较大,,

1的载重吨位,85%所对应的货车载重吨位,作为试验的额定载重。本次试验选取的代表车型是载重8t的东风重型货车。

图2　速度Ο坡度关系图

根据图2得到的拟合曲线及其公式,可以推出各

纵坡坡度对应的平均车速。与平坡条件下的货车运行速度相比,计算出各坡度对应车速与平坡相比的速度损失值,见表1。

表1　各坡度对应的车速及与平坡相比的速度损失

图1　公路货运汽车的交通组成和载重吨位的

累计分布曲线

纵坡Π%平均车速Πkm・h-1速度损失Πkm・h-1

074

2686

36410

45816

55222

64529

73836

83044

18条观测路段以高速公路和二、三级双车道公

路为主,分布在云南、陕西、山西、四川、重庆等地

区。

3　上坡行驶时坡度和坡长对运行速度的影响

　　从表1可以看出,载重汽车在上坡道上由于坡度

阻力和车辆本身性能的限制,速度有不同程度的损失,坡度越大损失越多,从2%～8%的范围内速度损失基本在6～44kmΠh之间。由此可见,确定坡顶可以接受的允许速度,制定合理的纵坡大小,对于提高公路通行能力

、改善运输效率都有重要意义。312　典型货车的爬坡能力特性

对于一定性能的车辆,当它在一定长度的纵坡上

行驶时,基本上呈加速或减速状态运行。因此要分析坡长和坡度对车辆行驶的影响,首先应了解试验车在纵坡上行驶时行车速度的变化特征。311　正常行驶状态下,纵坡道上平均车速与坡度的

2

在选定了典型车辆(其功率Π重量比具有一定的

公路纵坡坡度和坡长限制指标的确定　周荣贵等

代表性)后,坡度和坡长的限制研究,主要集中考虑

车辆的动力性能、车辆各档位的稳定运行速度、载重汽车在上坡道上的最小容许速度等因素。综合各个纵坡车辆的行驶速度与坡长关系,绘出图3所示的以零起步和50kmΠh速度冲坡行驶时的车辆爬坡性能曲线,汇总于图3

。

所经历的坡长也很接近,在200～300m之间,而且在这样短的稳定坡长内,速度已降低到较低值。应该说,对大于4%的纵坡,应该根据允许的最小运行速度要求对坡度和坡长进行限制。根据表1和图2的试验结果,不同设计速度下最大纵坡的规定列入表2。

表2　不同设计速度下的最大纵坡值

设计速度Πkm・h-1

最大纵坡Π%

1203

1004

805

606

407

308

209

5　坡长限制指标

最大纵坡本身并不能作为一个完全的设计控制,还必须考虑有关适合汽车运行的每个纵坡长度。坡长限制表示满载的载重汽车在一个指定的上坡道上行驶

图3　典型载重汽车在上坡道上的速度Ο距离曲线

时不致发生不合理减速或减速到允许的范围时的坡道长度。对于一定的坡道,界值,。如,则必。

,与之相对应的有一个稳定坡长,从运行质量来看,纵坡长度不宜超过稳定坡长,宜在稳定坡长的范围之内根据运行质量的要求确定合理的纵坡长度限制。而坡长限值的确定最主要的决定因素还是典型车辆的爬坡能力,同时必须考虑以下的数据和条件:

(1)典型车辆的尺寸和功率Π重量比,载重情况;

(2)坡底的入口速度;(3)坡道上最小允许速度;(

4)典型车辆的爬坡性能曲线。

试验结果表明:车辆在纵坡上加速行驶时,其行

车速度随坡长的增加是逐渐递增的。而且,当递增到一定程度后速度呈稳定状态。每一纵坡当坡长增大到一定值后,其速度不再增高,稳定速度和达到稳定速度的坡长。速度就越小,,小,稳定速度越大,。

此外,,一致,减速上坡的稳定速度要稍高于加速上坡的稳定速度5kmΠh左右,纵坡小于3%时差距更大。4　最大纵坡指标

在上坡道上载重汽车的运行速度都有不同程度的降低,这一方面影响运输效率,同时也对后面的快速车辆造成干扰,尤其是在没有超车机会的双车道公路和载重汽车比例较高的多车道公路上。因此要求载重汽车在上坡道上的运行速度损失不超过一定限度,也就是控制在坡道上的最小速度,以保证公路通行能力和服务水平。

依照载重货车在坡道上的平均速度变化,保持其达到设计速度的50%～60%(在设计速度低于60kmΠh以下时保持达到设计速度的70%～85%左右)可以作为最大纵坡设置的依据之一。从图3中的曲线趋势反映出:3%的纵坡是一个分界点,小于和等于3%的纵坡对载重汽车的运行速度影响不大,因此小于3%的纵坡可以作为缓和坡度来设计并不限制坡长。大于等于4%的纵坡对载重汽车就有较大影响,载重汽车在4%～8%之间的纵坡上行驶达到稳定速度时

3

其中,坡底的入口速度用与设计速度有关的平均运行速度来代替。当然,该入口速度可以根据坡底前衔接的路段条件来调整,若为平坡,则可直接用行驶速度,若为下坡可适当提高一些,若为上坡则应降低一些。根据试验观测,平坡路段各设计速度下的平坡行驶速度见表3。

表3　设计速度与运行速度关系

设计速度Πkm・h-1平均行驶速度Πkm・h-1

2020

3030

4040

6055

8070

10085

12098

　　关于坡道上的最小容许速度,虽然标准、规范中没有明确的规定,但要求载重汽车的速度不能影响其它车辆的运行,不能对跟随车辆造成干扰。尤其在双车道公路上,如果跟随车辆不能超车的时间间隔过长,它不但有可能影响该路段的通行能力,还会造成

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强超硬会的危险;而在交通量接近通行能力的路段上,会造成严重的交通干扰,使交通处于不稳定的运行状态。

允许最小速度的大小,根据国内外的经验,基本选取设计速度的50%～60%,或取速度差15～25kmΠh内的一个固定值。一般情况下,在设计速度为40～100kmΠh的公路上,最小速度约为20～60kmΠh,占设

6　对标准规范的建议

综合以上分析和主要研究结论,可为《公路工程

技术标准》(JTJ001Ο97)纵坡长度、平均纵坡等技术指标提供修订依据。

(1)第310115条纵坡各级公路的最大纵坡,根据设计速度的不同,选用不大于表2的纵坡坡度。

受地形条件或其它特殊情况限制时,经综合论证,最大纵坡值可以增加1%,但其纵坡长度必须能够保证载重汽车在坡段上的行驶速度不低于坡底20kmΠh,否则需要增设爬坡车道。同时,在下坡方向的平均纵坡不能超过标准规定,以保证行车安全。

(2)第310116条纵坡长度

量的要求。,,然3。

,在确定最25kmΠh的速度折减量,坡长限制适。各级公路纵坡小于2%时,其坡长不受限制。高速公路、一级公路当连续纵坡大于3%时,二级以下公路连续纵坡大于5%时,宜在载重汽车行驶速度降低20kmΠh前设置缓和坡段,缓和坡段的纵坡应小于3%,其长度符合纵坡最小坡长的规定

。

参考文献:

计速度的50%～60%,通常不会使跟随车辆的驾驶员因超车困难而感到压抑。

因此,本文根据不同的速度折减量(平均行驶速度与坡道上最小容许速度之差)与坡长的关系曲线,来确定各坡度下的临界坡长。各速度折减量下的坡长曲线图,如图4所示

。

图4　速度折减量曲线图

取速度折减量,同长,列入表4。

表4　各设计速度对应的不同坡长限制建议值

设计车速Πkm・h-1

[**************]0

[**************]0

[***********]0001100

[***********]

[**************]

[1**********]0

300300400

300400

300

5

纵坡坡度Π%

6

7

8

9

10

[1]　中华人民共和国交通部1公路路线设计规范(JTJ011Ο94)[S]1

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4