高速公路單波形梁鋼護欄創新設計與實驗研究

何亞琪等

摘 要：該文針對我國高速公路傳統護欄防撞能力低、緩沖與導向功能差且外形不美觀的缺陷問題，論述了通過結構設計創新解決兼顧大型車和小型車的不同防撞需求的問題，經過實車碰撞實驗驗證了新型護欄具有防撞能力高、緩沖與導向功能好的特點，能夠有效提高高速公路的整體安全防護能力和景觀設置水平。

關鍵詞：單波梁 護欄 碰撞 事故

中圖分類號：U417.12 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）03（b）-0011-03

Highway Single-wave Beam Guardrail Innovative Design and Experiment Research

He Yaqi1 Zheng Li bao1 Wang Ping1 Li Jianwei2

（1.Henan Zhongyuan Expressway Co .LTD，zhengzhou HeNan，450046，China；2.Beijing China Communications Success Road Technology Co. LTD，Beijing，100083，China）

Abstract：Aiming at the capacity of the current crash barriers for highway anti-collision was low、buffer and the orientation function were poor and the defects in shape with unsightly appearance， Innovation through the structure design is discussed in order to meet the different needs for both large cars and small cars of different collision，Simulation and experiment show that the crash barriers has high anti-collision、buffer and the orientation function are well， it can improve the overall protection capability and the level of the highway landscape.

Key Words：Single-Wave Beam；Barriers；Collision；Accident

隨著我國高速公路的快速發展，高速公路交通事故呈現出數量增多和多數事故與護欄有關的特點。目前我國高速公路護欄一般為兩波形梁鋼護欄（防撞A級160kj見圖1）和三波梁鋼護欄的配合使用，個別路段使用纜索護欄（見圖2）。防撞護欄防護小車時需要柔性設置，防護大車時需要剛性設置，而傳統的以兩波形梁鋼護欄為代表的半剛性防撞護欄，對大車來說防護等級偏低（達不到規范要求的A級160kj），而對小車來說防護等級又偏高，沒有足夠的緩沖功能，甚至常發生小車下鉆護欄卡死乘員的事故（見圖3）。由此導致小車事故死亡率高，大車沖出路面或沖到對面而造成生命財產損失慘重（見圖4）。因此，有必要本著“尊重規范，滿足標準，注重創新”的原則設計一種新型半剛性護欄以解決小型車和大型車對護欄不同防撞要求的矛盾。

1 高速公路單波形梁鋼護欄結構設計

高速公路A級單波形梁鋼護欄由橫梁、立柱、防阻塊、螺栓等組成。橫梁形式：單排橫梁和兩排橫梁；護欄立柱形式：圓管立柱和緩沖立柱。與兩波形梁鋼護欄相比有其自身獨特的結構和特點：外形美觀，緩沖能力強，但需要安全性和經濟性全部達到統一要求[1]。

1.1 橫梁形式選擇

設置單排橫梁的優勢：與兩排橫梁相比，同樣鋼材用量時單排橫梁剛度大；施工工藝簡便，安裝費用低；使用熱鍍鋅防腐工藝時費用低，圓環內余鋅少；設置單排橫梁的劣勢：小車下鉆問題難以消除；與目前的圓管立柱和緩沖立柱的配合難以實現經濟性目標。由計算機模擬試驗結果可知（見計算機仿真試驗圖5），圖中4 mm的橫梁與直徑140圓管立柱4米間距的組合試驗結果為未通過，同樣2 M間距立柱沒有更大改觀[2-3]。

設置兩排橫梁的優勢：上、下分排設置，更有利于小車的行車安全：下排橫梁的設置消除了小車下鉆事故發生的情況；上排橫梁作用為攔阻小車翻越，同時引導小車向前方滑行；防護中型車輛時護欄上橫梁攔阻車身，下橫梁阻擋車輪；防護大型車時上、下橫梁同時起攔阻作用。因而小車事故呈現柔性護欄的特征，大車事故則呈現半剛性護欄的特征，這意味著新型護欄有著柔性護欄和半剛性護欄的雙重特征，對于不同的事故有著不同的變形過程，對于減少事故和減輕事故的嚴重程度尤其是降低事故死亡率都有著重要的意義。另外，兩排設置整體通透，景觀效果明顯。設置兩排橫梁的劣勢：鋼材用量稍大。

綜合以上對比分析，結合模擬試驗結果，橫梁采用兩排設置可行性較好。

1.2 立柱形式選擇

采用圓管立柱的優勢：圓管立柱是目前我國高速公路的通用立柱，有利于改擴建工程重復使用從而降低工程造價；普通型材有利于采購加工，費用低；改變壁厚就可以調整剛度，提高實驗成功率。采用圓管立柱的劣勢：緩沖功能一般，倒伏后完全喪失反彈力，影響結構整體創新。

采用緩沖立柱的優勢：緩沖功效好；有新穎性。采用緩沖立柱的劣勢：加工成本高，不利于推廣應用；一次不成功時剛度調整周期長，不利于完成實驗。

根據性價比分析，鋼材用量一定時緩沖立柱比圓管立柱優勢有限，因而采用圓管立柱。

1.3 防阻塊設計與改進

高速公路與兩波形梁匹配的防阻塊是六角形（見圖5）。

其優勢為碰撞發生時從橫梁傳力到立柱時間迅速，缺點是自身六角形對稱設計極易扁平化，反彈能力弱不利于防阻功能的實現。傳統的和創新設計的防阻塊安裝后的護欄圖片如下。

綜上所述，結構設計要點：一是上、下橫梁如何節段連接成一體（橫梁斷面及連接形式改進見圖6）；二是防阻塊如何在碰撞過程中與護欄順利脫開，這樣不降低橫梁的高度；三是防阻塊能否創新設計能夠使碰撞后的橫梁高度保持或提升；四是立柱剛度與橫梁剛度配合為整體防護最佳，使得車輛能順利導出。

2 計算機仿真試驗與實車碰撞實驗

根據設計與優化列出試驗計劃，做過計算機模擬試驗后進行實車碰撞實驗，因車輛參數、護欄尺寸和鋼材質量、安裝誤差等諸多因素的存在，模擬試驗與實際實驗之間存在一定差距，所以每次模擬試驗的成功只作為實車碰撞實驗的預演。如一次實驗沒有成功則需要分析車輛運行軌跡和護欄變形形態后對設計方案進行優化或調整。實際實驗結果是方案1失敗，方案2成功（見圖7和圖8）。

小客車以20度角撞擊護欄，雙向加速度分別為8.18g和13.51g，完成后小車前部只有保險杠處發生輕微損壞，不會對司乘人員造成傷害。碰撞完成后小車駛出角5.7度，駛入原來運行軌跡。整個過程中小車最大加速度沒有超過規定的20 g。從實驗結果可以看出在碰撞過程中護欄碰撞段橫梁發生了較大變形，但保持原來結構，緩沖效果明顯，起到了防止下鉆和充分緩沖的保護作用。

大客車以20度角撞擊護欄，完成后前部發生輕微損壞。碰撞完成后駛出角7.6度，駛入原來運行軌跡。整個過程中小車最大加速度沒有超過規定的20 g。從實驗結果可以看出在碰撞過程中護欄碰撞段橫梁沒有斷裂，攔阻作用明顯。

經實車碰撞實驗驗證該護欄防護系統符合JTG B05-01-2013《公路護欄安全性能評價標準》[4]和JTGD81-2006《公路交通安全設施設計規范》要求[5]，從而實現了防護小車時緩沖功能好，防護大車時攔阻效果明顯的雙重目標，有著廣闊的市場應用前景。

參考文獻

[1] 王松巖，焦紅.鋼結構設計與應用實例[M].北京：中國建筑工業出版社，2007：16-36.

[2] 雷正保.汽車縱向碰撞控制結構設計的理論與方法[M].長沙：湖南大學出版社，2001：23-62.

[3] 黃世霖，張金換.汽車碰撞與安全[M].北京：清華大學出版社，2000：66-108.

[4] 北京深華達交通工程檢測有限公司主編，公路護欄安全性能評價標準（JTG B05-01-2013）[S]，北京：人民交通出版社，2013：5-18.

[5] 劉會學，李愛民，楊九齡.公路交通安全設施設計規范[S].北京：交通運輸部公路科學研究院，2006：7-9.