滬寧高速公路護(hù)欄安全性能評價與設(shè)計(jì)

■張 靜

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 210017)

0 引言

公路護(hù)欄可阻止事故車輛越出路外或進(jìn)入對向車道，盡量減少事故的嚴(yán)重程度和對乘員的傷害，使人員傷亡和車輛損失降至最小[1]。滬寧高速公路擴(kuò)建為雙向八車道后，由于交通量增長、車型組成變化和運(yùn)行速度的提高，對護(hù)欄的防護(hù)性能提出了更高的要求。而護(hù)欄仍是按照早期規(guī)范要求建設(shè)的，難以滿足高速公路交通運(yùn)行條件的變化和需求，有必要根據(jù)公路交通具體情況，在充分利用原有護(hù)欄結(jié)構(gòu)的原則下進(jìn)行護(hù)欄安全性能提升設(shè)計(jì)，提高滬寧高速公路的行車安全水平。

1 滬寧高速公路在用護(hù)欄調(diào)查與測試

滬寧高速公路 (江蘇段)擴(kuò)建工程于2004年完成設(shè)計(jì)，護(hù)欄的設(shè)計(jì)主要依據(jù)《高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)及施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 074-94)的規(guī)定，路側(cè)和中央分隔帶護(hù)欄的結(jié)構(gòu)型式為波形梁鋼護(hù)欄。

查閱滬寧高速公路安全設(shè)施的設(shè)計(jì)資料可知，路側(cè)波形梁護(hù)欄采用φ140×4.5mm立柱、厚度為3mm的波形梁護(hù)欄板，護(hù)欄板通過防阻塊固定在立柱上。普通型波形梁護(hù)欄的立柱設(shè)置間距為4m，加強(qiáng)型波形梁護(hù)欄的立柱設(shè)置間距為2m。主線中央分隔帶波形梁護(hù)欄采用φ114×4.5mm立柱、厚度為3mm的波形梁護(hù)欄板，護(hù)欄板通過防阻塊固定在立柱上。普通型波形梁護(hù)欄的立柱設(shè)置間距為4m，加強(qiáng)型波形梁護(hù)欄的立柱設(shè)置間距為2m。

波形梁鋼護(hù)欄橫梁中心高度的設(shè)計(jì)值為600mm，根據(jù)規(guī)定要求，波形梁鋼護(hù)欄橫梁中心高度允許偏差范圍為±20mm。為了核對滬寧高速公路中央分隔帶波形梁護(hù)欄的實(shí)際高度與設(shè)計(jì)高度是否一致，特別是掌握路基沉陷對護(hù)欄高度的影響情況，對蘇州、常州、寧鎮(zhèn)和無錫四個路段的中分帶護(hù)欄板中心距離路緣石頂面的高度進(jìn)行了抽樣測量。從測量結(jié)果來看，蘇州、常州、寧鎮(zhèn)段的護(hù)欄板中心高度均符合規(guī)范的要求，無錫段共測量9處路段，其中7處路段的護(hù)欄高度低于規(guī)范要求，存在部分路基沉陷的路段，在制定安全性能提升方案時，應(yīng)對護(hù)欄高度不足的情況進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研和測試結(jié)果可知，目前滬寧高速公路波形梁鋼護(hù)欄采用熱浸鍍鋅防腐處理后再噴塑，各構(gòu)件的鍍鋅層厚度余量和力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求。

2 滬寧高速公路交通條件與護(hù)欄安全性能評價

2.1 交通組成

車型組成和運(yùn)行速度分析是交通安全評價的基礎(chǔ)，護(hù)欄的安全性能評價與道路交通條件密切相關(guān)[2]。為此，通過調(diào)取滬寧高速公路14個斷面的交調(diào)數(shù)據(jù)對交通組成情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，采用激光測速儀對車輛的實(shí)際運(yùn)行速度進(jìn)行測試，并結(jié)合收費(fèi)站的計(jì)重收費(fèi)設(shè)備對車輛荷載情況進(jìn)行分析。總體來看，滬寧高速公路小客車的車輛運(yùn)行速度較快，存在接近30%的各類貨車，而且道路護(hù)欄都是采用安全等級較低的早期設(shè)計(jì)方案，已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前交通安全條件的需求。

2.2 現(xiàn)場車輛碰撞能量與護(hù)欄安全性能評價

根據(jù)車輛運(yùn)行速度vi及對應(yīng)車型的車輛平均總質(zhì)量mi，計(jì)算出每輛調(diào)查車輛的碰撞能量，繪制現(xiàn)場車輛碰撞能量Ei累積百分比曲線[3]。根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)的車輛的運(yùn)行速度和對應(yīng)車型的車輛平均總質(zhì)量，計(jì)算出每輛調(diào)查車輛的碰撞能量，5個測速路段的碰撞能量累積百分比見表1。

表1 各測速路段現(xiàn)場車輛碰撞能量累積百分比

由表1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，滬寧高速公路現(xiàn)有的波形梁護(hù)欄(B級，93kJ)對應(yīng)的車輛碰撞能量累積百分比，常州段最低，為66%，蘇州段最高，為80%。這意味著滬寧高速公路現(xiàn)有波形梁護(hù)欄能夠防住66%～80%的碰撞能量小于93kJ的失控車輛，使其不翻越或穿越護(hù)欄。

防護(hù)等級為A級(160kJ)的波形梁護(hù)欄在車輛碰撞能量累積百分比曲線上對應(yīng)的百分比在80%～90%之間。除常州段外，防護(hù)等級為SB級(280kJ)的波形梁護(hù)欄在車輛碰撞能量累積百分比曲線上對應(yīng)的百分比均超過90%。這意味著將滬寧高速公路現(xiàn)有波形梁護(hù)欄防護(hù)等級提高到A級，能夠防住的失控車輛可提高10～14個百分點(diǎn)；若提高到SB級，能夠防住的失控車輛最高可提高20個百分點(diǎn)。

《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D81-2006)提出我國護(hù)欄設(shè)計(jì)遵循的原則，是保證85%～90%以上的失控車輛不會越出、沖斷或下穿護(hù)欄[4]。根據(jù)這一原則，滬寧高速公路全線護(hù)欄防護(hù)等級可設(shè)置為A級(160kJ)，個別需要進(jìn)行重點(diǎn)防護(hù)的路段，如事故多發(fā)路段，防護(hù)等級可提高一級至SB級(280kJ)。

2.3 滬寧高速公路碰撞護(hù)欄事故分析

以滬寧高速無錫段為例，2016年1月至12月共發(fā)生281起車輛碰撞護(hù)欄的事故，其中碰撞中分帶護(hù)欄146起，碰撞路側(cè)護(hù)欄135起。滬寧高速公路無錫段2016年車輛碰撞護(hù)欄事故的統(tǒng)計(jì)情況見表2。

表2 無錫段2016年車輛碰撞護(hù)欄事故統(tǒng)計(jì)表

從表2可知，滬寧高速公路無錫段中分帶共發(fā)生碰撞護(hù)欄事故146起，其中18起事故穿越護(hù)欄，占碰撞護(hù)欄事故總起數(shù)的比例為12.3%。路側(cè)共發(fā)生事故135起，其中13起事故穿越護(hù)欄，占碰撞護(hù)欄事故總起數(shù)的比例為9.6%。

滬寧高速路側(cè)波形梁護(hù)欄的結(jié)構(gòu)與中分帶護(hù)欄不同。路側(cè)護(hù)欄設(shè)置了B級二波護(hù)欄和SB級三波護(hù)欄兩種，其中B級二波護(hù)欄采用φ140×4.5mm立柱(中分帶立柱為φ114×4.5mm)。從碰撞事故的情況來看，路側(cè)護(hù)欄對于小客車的防護(hù)效果優(yōu)于中分帶護(hù)欄。滬寧高速中分帶護(hù)欄對于小客車具有一定的防護(hù)作用，但仍然存在穿越護(hù)欄的風(fēng)險。中分帶護(hù)欄對于貨車和大客車的防護(hù)效果欠佳，高達(dá)28.6%的事故車輛穿越護(hù)欄。總體來說，滬寧高速公路護(hù)欄防護(hù)等級整體偏低，而且中分帶設(shè)置燈桿的路段，車輛碰撞護(hù)欄后與燈桿再次碰撞的事故風(fēng)險較高。

3 滬寧高速公路護(hù)欄安全性能提升方案設(shè)計(jì)

當(dāng)前滬寧高速公路在用波形梁護(hù)欄板的結(jié)構(gòu)型式和技術(shù)參數(shù)與JTG/T D81-2006規(guī)范中B級波形梁鋼護(hù)欄相同，為提高護(hù)欄的防護(hù)性能，降低交通事故的嚴(yán)重程度，有必要對護(hù)欄進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。在改造設(shè)計(jì)中，應(yīng)堅(jiān)持防護(hù)等級第一位原則，使得提升后的護(hù)欄結(jié)構(gòu)達(dá)到JTG/T D81-2006規(guī)范中A級和SB級防護(hù)等級的要求。此外，還應(yīng)綜合考慮滬寧高速公路實(shí)際情況，盡可能充分利用拆除的舊護(hù)欄構(gòu)件與提升方案中的護(hù)欄重新組合，有針對性的提出適用的改造設(shè)計(jì)方案，在降低護(hù)欄改造成本的同時提高施工效率[5]。

3.1 中央分隔帶護(hù)欄和路側(cè)護(hù)欄的提升方案

中央分隔帶護(hù)欄提升方案包含Bm級提升至Am級設(shè)計(jì)方案和Bm級提升至SBm級設(shè)計(jì)方案兩部分。路側(cè)護(hù)欄提升方案包含B級提升至A級設(shè)計(jì)方案和B級提升至SB級設(shè)計(jì)方案兩部分。

中央分隔帶護(hù)欄Bm級提升至Am級設(shè)計(jì)方案，原有Bm級波形梁護(hù)欄φ114mm×4.5mm立柱不變，每兩根間距為4m的立柱之間增加一根新的φ114mm×4.5mm、埋深1100m的立柱，使立柱間距加密至2m；原有雙波形梁護(hù)欄板拆除，更換成厚度為3mm的三波形梁護(hù)欄板，三波形梁護(hù)欄板中心距地面高度為70cm；原防阻塊拆除，替換為高度為400mm的加長防阻塊，三波形梁護(hù)欄板與加長防阻塊采用螺栓連接。路側(cè)護(hù)欄B級提升至A級設(shè)計(jì)方案與中央分隔帶護(hù)欄Bm級提升至Am級設(shè)計(jì)方案基本一致，且結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度高于經(jīng)由Bm級波形梁護(hù)欄完善后的Am級波形梁護(hù)欄。

中央分隔帶護(hù)欄Bm級提升至SBm級設(shè)計(jì)方案，原有Bm級波形梁護(hù)欄板不變，通過內(nèi)套管將原有φ114mm×4.5mm立柱加高400mm，每兩根間距為4m的立柱之間增加一根新的φ114mm×4.5mm立柱，使立柱間距加密至2m，新立柱與原有護(hù)欄板通過螺栓連接。防阻塊更換為具有較強(qiáng)的緩沖功能的異形防阻塊，在原有波形梁護(hù)欄板的上方平行增加一道3mm波形梁護(hù)欄板(可利用Am級提升方案中拆卸的舊護(hù)欄板)，形成雙排雙波梁護(hù)欄。路側(cè)護(hù)欄B級提升至SB級設(shè)計(jì)方案與中央分隔帶護(hù)欄Bm級提升至SBm級設(shè)計(jì)方案一致。

對護(hù)欄結(jié)構(gòu)通過有限元仿真分析方法進(jìn)行安全性能評價，小客車(質(zhì)量 1.5t、時速 100km/h)和大客車(質(zhì)量10t、80km/h)采用統(tǒng)一參數(shù)，碰撞角度取 20°[6]。經(jīng)有限元仿真分析，護(hù)欄安全性能評價結(jié)果見表3。

由表3的有限元仿真模擬驗(yàn)證結(jié)果可知，中央分隔帶護(hù)欄和路側(cè)護(hù)欄在各級碰撞條件下，對小型車(1.5t、100km/h、20°)和大型車(10t、80km/h、20°)具有良好的導(dǎo)向作用，試驗(yàn)車輛與護(hù)欄發(fā)生碰撞后未發(fā)生穿越、翻越、騎跨護(hù)欄的現(xiàn)象。護(hù)欄的防護(hù)性能、乘員風(fēng)險、駛出角度、車輛運(yùn)行軌跡、車輛運(yùn)行狀態(tài)、護(hù)欄最大動態(tài)變形量等性能指標(biāo)均符合我國交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 《高速公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T F84-02-2004)中護(hù)欄的評價要求，表明設(shè)計(jì)方案安全可靠。

表3 波形梁護(hù)欄方案評價結(jié)果

3.2 各提升方案新增用鋼量對比

中央分隔帶護(hù)欄和路側(cè)護(hù)欄各提升方案的新增用鋼量，在中分帶護(hù)欄Bm級提升至Am級的方案和路側(cè)護(hù)欄B級提升至A級的方案中，考慮到拆除的舊雙波形梁護(hù)欄板還能繼續(xù)使用，計(jì)算新增用鋼量時減去了舊雙波形梁護(hù)欄板的重量。與新建同防護(hù)等級護(hù)欄的用鋼量對比結(jié)果見表4。

由表4的計(jì)算結(jié)果可知，與新建同防護(hù)等級的護(hù)欄相比，充分利用舊護(hù)欄構(gòu)件的提升方案，對于中央分隔帶護(hù)欄，用鋼量分別減少了39%和58%，路側(cè)護(hù)欄則分別減少了25%和52%。由此可見，所提出的護(hù)欄安全性能提升方案，可大大降低護(hù)欄的改造成本。

表4 護(hù)欄安全性能提升方案用鋼量與新建護(hù)欄對比(單側(cè)1km)

4 結(jié)論

(1)實(shí)際調(diào)查和測試表明，滬寧高速公路護(hù)欄防護(hù)等級整體偏低，而且中分帶設(shè)置燈桿的路段，車輛碰撞護(hù)欄后與燈桿再次碰撞的事故風(fēng)險較高。

(2)在充分利用舊護(hù)欄構(gòu)件、降低建設(shè)成本的原則下，提出4種護(hù)欄升級改造設(shè)計(jì)方案的安全性能符合規(guī)范要求。

(3)與新建同防護(hù)等級的護(hù)欄相比，所提出的護(hù)欄安全性能提升方案的鋼材用量有大幅減少，工程改造成本大大降低。