高速公路車輛碰撞能量與護欄等級的研究

柳 佳

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

高速公路的安全設計是一個多學科交織的、綜合性強的、復雜的系統工程，路線、路基、路面、橋涵、隧道、景觀、智能交通、安全設施等專業所有涵蓋公路設計的公路人一致致力于提高高速公路的安全性和舒適性，多年來形成了主動引導優先的理念，護欄作為被動防護的最后一道屏障，在保障駕駛人及乘客的生命安全方面起到舉足輕重的作用。

1 車輛碰撞能量的分析與計算

護欄作為一種帶狀吸能結構，設置在高速公路中央分隔帶和路側，起到阻擋車輛沖出道路、導向車輛恢復至正常軌跡、吸能緩沖、降低對駕駛人及乘客的傷害的作用。在《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01-2013)中，護欄防護等級分為八級，每一等級對應特定的防護能量，高速公路如何選取護欄等級是至關重要的。每一等級護欄對應的碰撞能量，即為該護欄能夠起到阻擋、導向、緩沖作用所能承受的車輛碰撞能量，護欄等級越高，自然所能承受的能量越強，但護欄的設置要考慮工程經濟因素，不能一味做高，如何適度防護顯得尤為重要。考慮到投資造價、事故概率等因素，護欄的設置要確保至少85%～90%的車輛不會沖出路外，主流觀點認為選取85%位車輛碰撞能量作為選取護欄的依據較為恰當。

根據研究和經驗，高速公路的車型構成、車型比例、運行時速、碰撞角度影響著車輛碰撞能量的統計與計算。

(1)

式(1)中，E(kJ)為車輛的碰撞能量(垂直于行車方向)，m(kg)為車輛的車體總質量，v(m/s)為車輛的碰撞速度，θ(°)為車輛的碰撞角度。

(1)車型構成的分析

高速公路的車型構成與比例可以從特征年交通量獲得。特征年交通量與社會經濟與交通運輸密切相關，通過對交通量OD數據的調查、社會經濟發展的預測等最終形成特征年交通量。如A高速公路車型組成見表1。車型比例預測見表2。

表1 A高速公路車型分類表

表2 A高速公路車型比例預測

從上述表格中可以看出，該高速公路小型車占比約50%，中型車占比約15%，大型車占比約35%，《公路交通安全設施設計細則》(JTG/T D81-2017)規定高速公路護欄等級起設為A級，可以初步判定，鑒于該高速公路大型車占比較高，A級護欄應該已經無法滿足基本防護需求。

(2)碰撞速度的統計

高速公路運行速度的高低取決于路線條件，根據《公路項目安全性評價規范》(JTG B05-2015)提供的運行速度運算模型，運行速度由平直路段長度、曲線半徑、縱斷坡度、隧道單元、互通立交單元等共同決定。在路線條件較好的路段，運行速度往往超過設計速度，各類車型的運行速度在選取范圍時，綜合考慮了高速公路最低限制速度和相鄰路段速度差不超過20km/h的最高行駛速度，而碰撞速度一般取值為運行速度的80%，根據計算，A高速公路各車型碰撞速度區間見表3。

表3 A高速公路碰撞速度區間

(3)碰撞角度的選取

碰撞角度為車輛駛出方向與道路中線的夾角，與交通量、所屬車型、行車速度、所在道路位置有關，一般主要依據調研歷史交通事故車輛駛出角度進行統計。碰撞角度越大，產生的碰撞能量越大，根據《ROADSIDE DESIGN GUIDE》(4thEdition 2011)的調查結論，小型客車、小型貨車的車輛駛出角度一般為[5°,25°]，其他類型車輛駛出角度一般為[5°,20°]。

(4)碰撞能量的計算

按照以上各類車型的碰撞速度、碰撞角度，可以綜合得出表4。

表4 各類車型碰撞參數取值范圍

通過式(1)計算各類車型碰撞能量區間，累加、統計百分比，結合散狀點分布擬合多項式趨近線，可以預測出A高速公路在2020年的車輛碰撞能量累計百分比如圖1所示。

2 關于護欄等級的選取

從車輛碰撞能量累計百分比圖中獲得，85%位碰撞能量為264kJ，根據《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01-2013)的數據，A級護欄防護能量為160kJ，不足以滿足85%車輛的碰撞能量，SB級護欄防護能量為280kJ，符合車輛85%位碰撞能量的需求，所以A高速公路的護欄基本起設等級為SB級。當可能發生的事故嚴重程度更高時，如跨越其他高等級公路、路側為高填方等，為保障100%的車輛萬無一失時，特殊路段考慮設置SS級(520kJ)護欄。

隨著高速公路的建成，交通量逐年攀升，車型比例逐年變化，碰撞能量百分比的累計也會隨之變化。《高速公路交通工程及沿線設施設計通用規范》(JTG D80-2006)規定鋼護欄的使用年限為15年，混凝土護欄的使用年限為20年，護欄作為相對固定的設施，在其有效的使用年限中，設計階段要適當考慮未來交通比重的影響，以此來考慮護欄等級是否滿足未來需求而十分必要，依照上述統計方法，計算出A高速公路未來特征年的碰撞能量累計百分比如圖2～圖5。

根據以上4個碰撞能量趨勢圖可以得出，2026年、2031年、2036年、2039年分別對應的85%位碰撞能量是267kJ、270kJ、275kJ、279kJ,均滿足SB級護欄的防護能量，究其原因是所預測的未來大型車輛交通比重增長的不多，由此可知，在護欄的有效使用年限期間內確定SB級為最恰當的護欄起設等級。

3 結論與建議

通過對影響車輛碰撞能量的車型構成、碰撞速度、碰撞角度進行分析研究，得到各類車型的碰撞能量，將車型構成的比例與碰撞能量進行逐點標注，得出碰撞能量的累計百分比趨勢線，進而得到85%位碰撞能量，以此判斷高速公路的護欄最低起設等級。此方法適用于新建高速公路的護欄等級的選取，針對已通車高速公路也可以參考，通過樣本觀測的方式進行數據的前期統計。隨著2017版規范的實施，護欄的防護能力進一步提高，廣大設計人員對于護欄起設等級的選取可以參照本文提供的方法進行計算。同時建議，在考慮起設等級的基礎上，需要根據駛出道路可能發生交通事故的概率及嚴重程度，針對重點路段進行90%位碰撞能量的選取，甚至為保障100%的車輛不沖出路外，適當采用具備更高防護能量的護欄等級進行加強設計，這樣的設計理念也符合國家發展，《交通強國建設綱要》中要求“完善交通基礎設施安全技術標準規范，持續加大基礎設施安全防護投入，提升關鍵基礎設施安全防護能力”，護欄設計將更加精細、寬容，繼續為交通強國的建設添磚加瓦。