Thiết kế yếu tố hình học đường ô tô part 4 ppsx

Độ dốc siêu cao quá lớn đòi hỏi phải kéo dài đoạn nối siêu cao, điểm này sẽ gặp khó khăn đối với đường vùng núi vì sẽ không đủ đoạn chêm giữa 2 đường cong trái chiều.. Độ dốc siêu cao kh

- Siêu cao có tác dụng tâm lý có lợi cho người lái, làm cho người lái tự tin điều khiển xe khi vào trong đường cong

- Siêu cao có tác dụng về mỹ học và quang học, làm cho mặt đường không bị cảm giác thu hẹp giả tạo khi vào đường cong

g R μ

Như vậy, nếu V lớn và R nhỏ thì đòi hỏi độ dốc siêu cao lớn

Nếu chọn độ dốc siêu cao lớn, đối với những xe tải và xe thô sơ có tốc độ thấp có khả năng bị trượt xuống dưới, theo độ dốc mặt đường Độ dốc siêu cao quá lớn đòi hỏi phải kéo dài đoạn nối siêu cao, điểm này sẽ gặp khó khăn đối với đường vùng núi vì sẽ không đủ đoạn chêm giữa 2 đường cong trái chiều

Độ dốc siêu cao khi thiết kế được tra trong quy trình phụ thuộc vào tốc độ thiết

- Độ dốc siêu cao nhỏ nhất : bằng độ dốc ngang mặt đường hai mái

- Độ dốc siêu cao thông thường : 4%

Ngoài ra, ở vùng núi, những đường cong ôm vực, cần có các biện pháp đảm bảo

an toàn vì độ dốc siêu cao nghiêng về phía vực, có thể bố trí các tường phòng hộ, hoặc hạn chế độ dốc siêu cao đến 4% Nhiều trường hợp người ta còn bố trí siêu cao ngược, quay về phía lưng đường cong (phía núi)

3.5.3 Đoạn nối siêu cao và các phương pháp nâng siêu cao

Đoạn nối siêu cao được thực hiện với mục đích chuyển hoá một cách điều hoà từ mặt cắt ngang thông thường hai mái sang mặt cắt ngang đặc biệt có siêu cao

Trước khi vào đoạn nối siêu cao cần có một đoạn dài 10m để nâng lề có độ dốc ngang bằng độ dốc ngang mặt đường, riêng phần lề đất không gia cố phía lưng đường cong vẫn dốc ra phía lưng đường cong

Đoạn nối siêu cao, đoạn nối mở rộng đều được bố trí trùng với đường cong chuyển tiếp Khi không có đường cong chuyển tiếp, các đoạn nối này bố trí một nửa trên đường cong và một nửa trên đường thẳng

1 Phương pháp quay quanh tim đường

Đây là phương pháp thường hay được sử dụng nhất, phương pháp này được quy định trong quy trình hiện hành TCVN 4054-05 [1]

Trình tự các bước :

- Quay mái mặt đường bên lưng đường cong quanh tim đường cho đạt độ dốc

Theo hình 3.5 có thể tính được chiều dài đoạn nối siêu cao Lsc và chiều dài các đoạn đặc trưng như sau :

f sc

2 2

n sc n

sc

i i b i

b i

b

= +

2i L L

bi i

h L

f

n f

2

.2

f

n sc

i i b L L L L

2

)(

)( 1 23

−

=+

−

Trong đó : b : chiều rộng mặt đường (m)

Hình3.5 Diễn biến nâng siêu cao và sơ đồ tính chiều dài Lsc

theo phương pháp quay quanh tim đường

Tính lại độ dốc dọc phụ thêm

sc

n sc f

L

i i b i

2

) ( +

Bằng hình học tìm được công thức tính độ dốc ngang i tại mặt cắt ngang bất kỳ trong đoạn nối siêu cao cách đầu đoạn một khoảng cách x như sau :

Độ dốc bên lưng đường cong

1

1 ) (

L

x L i

−

=

Độ dốc bên lưng đường cong

2

1 ) (

L

L x i

1 ) (

L L

L x i

(

L

L L x i i i

− +

=

2 Phương pháp quay quanh mép đường

- Quay mái mặt đường bên lưng đường cong quanh tim đường cho đạt độ dốc

2

.2

f

n sc sc

i

i i b L L L

L

i b

Tính toán độ dốc ngang i tại mặt cắt ngang bất kỳ trong đoạn nối siêu cao cũng tương tự như phương pháp trên

Hình 3.7 Diễn biến nâng siêu cao và sơ đồ tính chiều dài Lsc theo phương pháp

quay quanh mép trong mặt đường

3 Các phương pháp nâng siêu cao cho đường cao tốc, đường có dải phân cách

Đối với đường cao tốc, đường có nhiều làn xe thì có các phương pháp nâng siêu cao như hình 3.8

a Hình 3.8a là mặt cắt ngang trên đoạn thẳng

b Hình 3.8b quay quanh tim đường (tim phần dải phân cách giữa) chiều dài

đoạn nối siêu cao và cách tính giống như phần 1 ở trên với bề rộng b là khoảng cách giữa 2 mép đường

c Hình 3.8c nâng siêu cao hai phần đường riêng quanh 2 mép giữa đường giáp

f

n sc sc

i

i i b L L L

=+

L

i i b

Độ dốc ngang mặt đường i tại mặt cắt bất kỳ trong đoạn nối siêu cao cách đầu đoạn một khoảng cách x như sau :

Độ dốc phần đường bên trái (bên bụng) i=in

Độ dốc phần đường bên phải (bên lưng)

1

1 ) (

L

x L i

−

=

Độ dốc phần đường bên trái i=in

Độ dốc phần đường bên phải

2

1 ) (

L

L x i

=

Độ dốc nâng cả 2 phần trái và phải

3 2

1 ) (

L L

L x i

i sc

+

−

=

d Hình 3.8d quay quanh mép trong đường chiều dài đoạn nối siêu cao và cách

tính giống như phần 2 ở trên với bề rộng b là khoảng cách giữa 2 mép đường

e Hình 3.8e nâng siêu cao hai phần đường riêng quanh 2 tim của từng phần

2

.2

1 = = ;

f

n sc

i i b L L L L

2

)(

)( 1 23

−

=+

i i b i

2

) ( +

f

n sc sc

i

i i b L L L

=+

L

i i b

- Nên sử dụng phương pháp quay quanh tim đường để nâng siêu cao và bố trí đoạn nối siêu cao Với phương pháp này cao độ tim đường không thay đổi nên dễ dàng thể hiện trên trắc dọc và tổng quát được khi lập các chương thiết

kế trên máy tính Phương pháp này còn đặc biệt thuận lợi với trường hợp tuyến uốn lượn gồm nhiều đường cong ngược chiều liên tiếp

- Với đường cao tốc, đường nhiều làn xe thì nên thiết kế theo các phương pháp

ở hình 3.8b và 3.8c các phương pháp này đảm bảo tạo được độ đều đặn về thị giác khi nhìn từ xa

5 Trình tự tính toán nâng siêu cao :

phụ thuộc vào cấp đường và bán kính đường cong

- Chọn phương pháp nâng siêu cao : Phương pháp nâng siêu cao phụ thuộc vào

địa hình, điều kiện thoát nước, chiều rộng mặt đường, kích thước và cấu tạo

dải phân cách giữa, …

trí này phụ thuộc vào địa hình và lấy bằng giá trị lớn nhất trong các giá trị

(để dễ dàng cắm và thiết kế các mặt cắt ngang trong đường cong)

- Từ chiều dài LBT đã chọn tính lại if và tính các đoạn đặc trưng L1, L2, L3

- Tính độ dốc phần mặt đường trong đoạn nối siêu cao

- Tính các độ dốc lề đường (lề đất, lề gia cố), độ dốc dải phân cách tại các mặt

cắt ngang trong đoạn nối siêu cao phụ thuộc vào độ dốc ngang mặt đường và

phương pháp nâng siêu cao

- Kết hợp tính toán đường cong chuyển tiếp và mở rộng trong đường cong thiết

kế trắc ngang trên cơ sở các độ dốc ngang đã xác định được

Bảng 3.2 [1]

Độ dốc siêu cao isc và chiều dài đoạn chuyển tiếp nối siêu cao L(m) phụ thuộc vào bán

kính đường cong R(m) và tốc độ thiết kế Vtk(km/h)

Trị số chiều dài L trong bảng áp dụng đối với đường hai làn xe Đối với đường

cấp I và II nếu đường có trên hai làn xe thì trị số trên phải nhân với 1,2 đối với

ba làn xe; 1,5 đối với 4 làn xe và 2 đối với ≥ 6 làn xe

3.6 MỞ RỘNG PHẦN XE CHẠY TRONG ĐƯỜNG CONG

3.6.1 Tính toán độ mở rộng

Khi xe chạy trên đường cong, mỗi bánh xe chuyển động theo quỹ đạo riêng, chiều rộng dải đường mà ô tô chiếm trên phần xe chạy rộng hơn so với khi xe chạy trên đường thẳng Để đảm bảo điều kiện xe chạy trên đường cong tương đương như trên đường thẳng, ở những đường cong có bán kính nhỏ cần phải mở rộng phần xe chạy

Hình 3.9 Sơ đồ mở rộng mặt đường trong đường cong

Để xác định độ mở rộng ta giả thiết quỹ đạo chuyển động của ô tô trong đường cong là đường tròn

Xét chuyển động của ô tô

trong đường cong như

L A

e

Do đó:

R2

Le

2 A

Công thức trên được xác định theo sơ đồ hình học mà chưa xét đến khả năng thực tế khi xe chạy, khi xe chạy với tốc độ cao, xe còn bị lắc ngang sang hai bên, như vậy ta phải bổ sung số hạng hiệu chỉnh :

m

,R

0,05.V2R

0,1.VR

3.6.2 Bố trí độ mở rộng mặt đường trong đường cong:

Đoạn nối mở rộng làm trùng với đoạn nối siêu cao hoặc đường cong chuyển tiếp Khi không có hai yếu tố này, đoạn nối mở rộng được cấu tạo:

- Một nửa nằm trên đường thẳng và một nửa nằm trên đường cong

- Trên đoạn nối, mở rộng đều (tuyến tính) Mở rộng 1m trên chiều dài tối thiểu 10m

Độ mở rộng bố trí ở cả hai bên, phía lưng và bụng đường cong Khi gặp khó khăn, có thể bố trí một bên, phía bụng hay phía lưng đường cong

Thông thường để mép mặt đường được trơn tru, êm thuận, thì trị số độ mở rộng

Trong đó: E là độ mở rộng trong đường cong tròn

MR

n L

L

Phương của độ mở rộng là phương đường pháp tuyến của tim đường xe chạy

Độ mở rộng được đặt trên diện tích phần lề gia cố Dải dẫn hướng (và các cấu tạo khác như làn phụ cho xe thô sơ, …) phải bố trí phía tay phải của độ mở rộng Nền đường khi cần phải mở rộng, đảm bảo phần lề đất còn ít nhất là 0,5 m

tc b p

n®

t®

nc

O R

® E/

Hình 3.11 Bố trí mở rộng phần xe chạy về hai phía của đường cong

Bảng 3.3 Độ mở rộng phần xe chạy 2 làn xe trong đường cong nằm, m.[1]

Bán kính đường cong nằm (m) Dòng xe

Các dòng xe có xe đặc biệt, phải kiểm tra lại các giá trị trong bảng 3.11

3.7 THIẾT KẾ VÀ BỐ TRÍ ĐƯỜNG CONG TRÒN

Trong thiết kế hình học đường, đường cong tròn được sử dụng để tổ hợp các đường cong clothoid và được sử dụng như một đường cong đơn giản

Sự sử dụng các đường cong tròn đơn giản để thiết kế đường cong do những nhược điểm đã biết chỉ nên hạn chế trong những trường hợp đặc biệt Những trường hợp ấy có thể là:

Đường cong tròn nhiều thành phần có phạm vi sử dụng giống như đường cong tròn Bởi vậy đường cong nhiều thành phần cũng chỉ nên dùng trong những trường hợp đặc biệt (địa hình hạn chế)

Hình 3.12 Sơ đồ tính toán đường cong tròn

Các công thức quen thuộc tính toán đường cong tròn đơn giản theo R và α:

Tiếp tuyến

2tg.R

2 cos

1 R

Đối với đường cao tốc khi chiều dài đường cong K quá ngắn thì lái xe phải đổi hướng tay lái luôn nên dễ gây nguy hiểm, mặt khác nhằm khắc phục ấn tượng đường bị gẫy phải đảm bảo chiều dài dường cong đủ lớn tối thiểu cho xe chạy

nhận thấy nếu chiều dài đường cong quá ngắn, hình ảnh thị giác của đường cong thu nhận được sẽ bị bóp méo, sẽ thấy đường cong càng ngắn hơn thực, điều này rất nguy hiểm vì người lái xe tưởng đã hết đường cong nên chuyển tay lái và tăng tốc Để khắc phục hiện tượng này cần phải thiết kế đường cong có đủ chiều dài

sao cho phân cự p đủ lớn Giá trị p được đảm bảo 2,0m; 1,75m; 1,5m và 1,0m

tương ứng với các tốc độ thiết kế V=120km/h; 100km/h; 80km/h; 60km/h

3.7.1 Lựa chọn bán kính đường cong tròn

Bằng phân tích điều kiện xe chạy trong đường cong ở phần 3.4 và 3.5 rút ra được các công thức tính toán bán kính đường cong tròn giới hạn như sau:

1 Bán kính đường cong nằm tối thiểu giới hạn

).(

2 min

sc

i

V R

(chọn giá trị μ nhỏ đối với đường cấp cao và địa hình thuận lợi)

iscmax - Độ dốc siêu cao lớn nhất

2 Bán kính đường cong nằm tối thiểu thông thường

).(

127

2 min

sctt

i

V R

isctt - Độ dốc siêu cao thông thường isctt=iscmax-2%

3 Bán kính đường cong nằm tối thiểu không cần bố trí siêu cao

).(

127

2

n ksc

i

V R

Lựa chọn bán kính đường cong nằm tính toán

Đây là bài toán kinh tế-kỹ thuật, khi thiết kế cần vận dụng bán kính đường cong lớn để cải thiện điều kiện xe chạy, đảm bảo an toàn, tiện lợi đồng thời cũng đảm bảo giá thành xây dựng nhỏ nhất Chỉ khi khó khăn mới vận dụng bán kính đường cong nằm tối thiểu, khuyến khích dùng bán kính tối thiểu thông thường trở lên, luôn tận dụng địa hình để nâng cao chất lượng chạy xe

Bán kính đường cong bằng được lựa chọn theo các nguyên tắc:

- Lớn hơn các giá trị giới hạn

- Phù hợp với địa hình, càng lớn càng tốt (thường R=3 đến 5 lần Rmin)

- Đảm bảo sự nối tiếp giữa các đường cong

- Đảm bảo bố trí được các yếu tố đường cong như : chuyển tiếp, siêu cao

- Đảm bảo phối hợp hài hoà các yếu tố của tuyến, phối hợp tuyến đường với cảnh quan

Quy định của TCVN 4054-05 các giá trị giới hạn của bán kính

Bảng 3.4 Bán kính đường cong nằm tối thiểu [1]

3.7.2 Nối tiếp các đường cong tròn

Khi cắm tuyến nên tránh các bất ngờ cho người lái, các bán kính đường cong cạnh nhau không nên chênh lệch nhau quá (tốt nhất là không quá 1,5 lần) Sau một đoạn thẳng dài cũng không nên bố trí đường cong có bán kính quá nhỏ Về mặt liên kết kỹ thuật, các trường hợp bố trí nối tiếp giữa các đường cong như sau:

1 Nối tiếp giữa hai đường cong cùng chiều:

Hai đường cong cùng chiều có thể nối trực tiếp với nhau hoặc giữa chúng có một đoạn thẳng chêm tùy theo từng trường hợp cụ thể:

- Nếu hai đường cong cùng chiều không có siêu cao hoặc có cùng độ dốc siêu cao thì có thể nối trực tiếp với nhau và ta có đường cong ghép (Hình 3.13a)

- Nếu hai đường cong cùng chiều gần nhau mà không có cùng độ dốc siêu cao: + Giữa chúng phải có một đoạn thẳng chêm m đủ dài để bố trí hai đoạn nối siêu cao (Hình 3.13b), tức là:

2

LL

≥

+ Nếu chiều dài đoạn thẳng chêm giữa hai đường cong không có hoặc không đủ thì tốt nhất là thay đổi bán kính để hai đường cong tiếp giáp

nhau và có cùng độ dốc siêu cao cũng như độ mở rộng theo độ dốc siêu cao và độ mở rộng lớn nhất

+ Nếu vì điều kiện địa hình không thể dùng đường cong ghép mà vẫn phải giữ đoạn thẳng chêm ngắn thì trên đoạn thẳng đó phải thiết kế mặt cắt ngang một mái (siêu cao) từ cuối đường cong này đến đầu đường cong kia

2 Nối tiếp giữa hai đường cong ngược chiều: (là hai đường cong có tâm quay

về hai phía khác nhau)

- Hai đường cong ngược chiều có bán kính lớn không yêu cầu làm siêu cao thì

có thể nối trực tiếp với nhau

- Trường hợp cần phải làm siêu cao thì chiều dài đoạn thẳng chêm phải đủ dài

để có thể bố trí hai đoạn ĐCCT hoặc hai đoạn nối siêu cao tức là

2

LL

lại tuyến hoặc có các giải pháp hạn chế tốc độ

Hình 3.13 Bố trí nối tiếp các đường cong tròn trên bình đồ

a,b) Đường cong cùng chiều; c) Đường cong ngược chiều

3.8 ĐƯỜNG CONG CHUYỂN TIẾP

3.8.1 Tác dụng của đường cong chuyển tiếp

Khi xe chạy từ đường thẳng vào đường cong, xe phải chịu các thay đổi

- Bán kính ρ giảm dần từ +:ở ngoài đường thẳng đến R trong đường cong

Những biến đổi đột ngột đó gây cảm giác khó

chịu cho lái xe và hành khách và làm cho việc

điều khiển xe khó khăn hơn

Để đảm bảo tuyến đường phù hợp với quỹ đạo

thực tế xe chạy và để đảm bảo điều kiện xe

chạy không bị thay đổi đột ngột ở hai đoạn đầu

đường cong, người ta bố trí đường cong chuyển

tiếp - ĐCCT

Quy trình Việt Nam, Trung Quốc và một số

thì phải bố trí ĐCCT Theo AASHTO thì chỉ

thiết kế ĐCCT khi đường ô tô được thiết kế với

3.8.2 Xác định chiều dài của ĐCCT

Để cấu tạo ĐCCT người ta giả thiết:

Ta thấy, gia tốc ly tâm tăng đều tức là độ tăng của gia tốc ly tâm theo thời gian bằng hằng số :

const s

m Rt

v L RL

v

3 3

V

L ct

47

đường cong chuyển tiếp

3 ct

V L

3.8.3 Nghiên cứu dạng hình học của đường cong chuyển tiếp

Đường cong chuyển tiếp là đường cong quá độ có bán kính cong thay đổi dần thích ứng với quỹ đạo xe chạy biến đổi, được dùng khi nối đường thẳng với đường cong tròn hoặc giữa hai đường cong tròn có bán kính khác nhau

Có một số dạng đường cong toán học có thể thỏa mãn các yêu cầu trên với những mức độ nhất định Đó là các đường cong xoắn ốc bức xạ hay gọi là clothoid;

đường hoa thị Lemniscat Becnulli; đường parabol bậc 3 và bậc 4, Người ta sử dụng một phần của các đường cong toán học này để làm ĐCCT

Tiêu chuẩn để lựa chọn sử dụng loại đường cong toán học nào làm ĐCCT phụ thuộc vào 2 điều kiện cơ bản:

- Dạng đường cong phù hợp với quỹ đạo chuyển động của xe

- Tính toán và cắm đường cong được đơn giản và dễ dàng

Dưới đây chúng ta nghiên cứu từng loại đường cong

3.8.3.1 Đường cong clothoid

1 Phương trình của đường cong clothoid

Đường clothoid là đường phù hợp nhất để làm đường cong chuyển tiếp trong số các đường cong đã được nghiên cứu từ trước đến nay Khi xây dựng các con đường ôtô có tốc độ tính toán từ 60km/h trở lên người ta sử dụng đường clothoid không chỉ để làm đường cong chuyển tiếp mà còn sử dụng làm yếu tố tuyến để làm đẹp thêm hình ảnh đường

Xét một điểm B bất kỳ trên đường cong chuyển tiếp có toạ độ cong tính từ gốc đường cong là S, tại đó có bán kính đường cong ρ, bán kính ρ này giảm dần đều

I

v S S

Phương trình (2) được viết dưới dạng toạ độ cực, vì vậy việc cắm tuyến còn khó khăn Người ta chuyển sang hệ toạ độ Descarte nhờ phương trình sau:

42240336

6

345640

10

11 6

7 2

3

8

9 4

5

++

−

=

++

−

=

A

S A

S A

S

Y

A

S A

S S

X

Phương trình (3.39) hội tụ nhanh nên chỉ cần 2 số hạng đầu là đủ chính xác, nhưng đối với những đường cong dài thì phải tính tới 3 số hạng Hiện nay phương trình (3.39) được lập sẵn trong máy tính cầm tay (PPC) để tính toạ độ