高速公路中央分隔帶開口旋轉(zhuǎn)桶式活動(dòng)護(hù)欄設(shè)計(jì)與安全性能分析

■黃伯承

（福建省高速公路養(yǎng)護(hù)工程有限公司，福州 350100）

隨著現(xiàn)代交通的高速發(fā)展，高速公路護(hù)欄的防護(hù)等級(jí)要求也越來(lái)越受到國(guó)家的重視和社會(huì)的普遍關(guān)注，防護(hù)等級(jí)越高，司乘人員的生命安全就越有保障。2018 年1 月，交通運(yùn)輸部頒布的《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG-D81-2017）正式實(shí)施，對(duì)高速公路中央分隔帶開口護(hù)欄設(shè)置提出系統(tǒng)的要求：（1）防護(hù)等級(jí)不得低于三（Am）級(jí)；（2）方便開啟與關(guān)閉、 具有可移動(dòng)性， 宜在10 min 內(nèi)開啟10 m及以上的長(zhǎng)度；（3） 與相鄰中央分隔帶護(hù)欄能合理過(guò)渡；（4）兩固定端安裝應(yīng)牢固，連接部分應(yīng)具有防盜功能[1]。 目前國(guó)內(nèi)已通過(guò)實(shí)車碰撞試驗(yàn)并滿足《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01-2013)的中央分隔帶開口護(hù)欄型式主要有預(yù)應(yīng)力式活動(dòng)護(hù)欄、框架式活動(dòng)護(hù)欄、梯形座式活動(dòng)護(hù)欄、組合式活動(dòng)護(hù)欄等不同的型式[2-4]；高速公路管理部門、科研院所針對(duì)各自實(shí)際提出各種各樣的活動(dòng)護(hù)欄型式并申請(qǐng)了專利[5-7]，有力促進(jìn)了高速公路交通安全設(shè)施的研發(fā)[8-9]。 本文在吸收源自韓國(guó)、日本和美國(guó)提出的抗沖擊旋轉(zhuǎn)式防護(hù)欄設(shè)計(jì)理念，提出一種新型的可快速開啟和安裝的高速公路中央分隔帶開口旋轉(zhuǎn)桶式活動(dòng)護(hù)欄， 且已通過(guò)實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)，安全性能滿足三級(jí)（Am）防護(hù)等級(jí)的要求，同時(shí)具有開啟關(guān)閉快、動(dòng)態(tài)變形小、景觀效果好、材料使用省、安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)，產(chǎn)品已獲推廣使用，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益（表1）。

表1 旋轉(zhuǎn)桶式活動(dòng)護(hù)欄與現(xiàn)狀部分型式護(hù)欄對(duì)比

1 中央分隔帶開口護(hù)欄設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該高速公路中央分隔帶開口旋轉(zhuǎn)桶式活動(dòng)護(hù)欄高度95 cm，長(zhǎng)度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際設(shè)置，由兩端過(guò)渡段和若干單元節(jié)段組成（圖1）。 每個(gè)單元節(jié)段長(zhǎng)度6 m，主要構(gòu)件組成有：2 根長(zhǎng)立柱、4 根短立柱、6 個(gè)旋轉(zhuǎn)桶 （EVA 復(fù)合材料）、2 個(gè)鋼套筒、4 根鋼橫梁等，每個(gè)旋轉(zhuǎn)桶間隔1 m，見(jiàn)圖2。 單元活動(dòng)護(hù)欄長(zhǎng)立柱下橫梁兩側(cè)設(shè)置了支撐輪，可以克服施工中鋼套筒鉆孔誤差， 確保活動(dòng)護(hù)欄維持在同一個(gè)高度上； 單元活動(dòng)護(hù)欄之間的連接機(jī)構(gòu)采用內(nèi)套筒連接， 單元活動(dòng)護(hù)欄兩端下橫梁處設(shè)置了萬(wàn)向輪，方便卸載后推移。

圖1 活動(dòng)護(hù)欄總體布置圖

圖2 單元活動(dòng)護(hù)欄布置圖

長(zhǎng)度40 m 的高速公路中央分隔帶標(biāo)準(zhǔn)開口段， 布置6 個(gè)單元活動(dòng)護(hù)欄， 兩端各設(shè)置2 個(gè)2 m的過(guò)渡段。 為了適應(yīng)高速公路中央分隔帶開口部不同長(zhǎng)度的調(diào)整要求，設(shè)計(jì)增加了拼裝單元活動(dòng)護(hù)欄長(zhǎng)度5 m 節(jié)、4 m 節(jié)和3 m 節(jié)的設(shè)計(jì)， 以滿足工程實(shí)際需求。

1.2 連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

單元活動(dòng)護(hù)欄之間的連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮以下因素：（1）實(shí)現(xiàn)單元活動(dòng)護(hù)欄之間的連接，滿足碰撞強(qiáng)度要求；（2）便于開啟和安裝；（3）可以克服施工一定范圍內(nèi)上、下高差和左、右平差。

單元活動(dòng)護(hù)欄之間的連接采用內(nèi)置套筒連接方式，見(jiàn)圖3。內(nèi)置連接套筒長(zhǎng)度400 mm，內(nèi)套管上設(shè)置一個(gè)20×27 規(guī)格的插銷孔和長(zhǎng)度223 mm 的螺栓通孔，設(shè)置的螺栓孔用螺栓固定，插銷孔用插銷插拔。 單元活動(dòng)護(hù)欄橫梁端頭各設(shè)置一個(gè)螺栓孔和插銷孔， 螺栓孔與內(nèi)置套管對(duì)齊后用螺栓固定，螺栓采用M18，8.8 級(jí)的防盜螺栓， 插銷孔用插銷插拔。 內(nèi)置連接套筒的直徑在滿足強(qiáng)度要求的前提下，可以根據(jù)施工誤差要求調(diào)整，當(dāng)施工誤差較大，或者活動(dòng)護(hù)欄設(shè)置在曲線上時(shí)內(nèi)置連接套筒外徑可適當(dāng)取小值。

圖3 連接機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

1.3 萬(wàn)向輪設(shè)計(jì)

為確保活動(dòng)護(hù)欄在緊急情況下快速拆卸后方便移動(dòng)，在單元活動(dòng)護(hù)欄兩側(cè)各設(shè)置了一對(duì)萬(wàn)向輪，萬(wàn)向輪包含支撐輪和活動(dòng)輪，活動(dòng)輪具備轉(zhuǎn)動(dòng)功能，使用時(shí)可向外轉(zhuǎn)動(dòng)，不用時(shí)可收入橫梁底部，不影響活動(dòng)護(hù)欄正常使用。 活動(dòng)輪主要防止護(hù)欄推移過(guò)程中出現(xiàn)傾覆； 支撐輪主要起到支撐整個(gè)單元活動(dòng)護(hù)欄的作用。 為了確保單元活動(dòng)護(hù)欄在推移過(guò)程中萬(wàn)向輪不會(huì)發(fā)生偏移，在支撐輪基座上設(shè)置了貫穿孔，活動(dòng)輪向外旋轉(zhuǎn)到位后用一根帶彈簧的圓管固定，即可確保萬(wàn)向輪推移過(guò)程中保持穩(wěn)定，見(jiàn)圖4。

圖4 萬(wàn)向輪設(shè)計(jì)效果圖

1.4 端部過(guò)渡段設(shè)計(jì)

端部單元活動(dòng)護(hù)欄橫梁之間用連接機(jī)構(gòu)連接，端部寬度從320 mm 過(guò)渡到500 mm，中央分隔帶護(hù)欄端部寬度500 mm， 銜接1000、1500、2000 mm 等不同寬度的中分帶，需要設(shè)置過(guò)渡段，過(guò)渡段長(zhǎng)度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)整。 活動(dòng)護(hù)欄端部過(guò)渡段2 m 范圍內(nèi)兩側(cè)各用1 塊過(guò)渡板（二波變?nèi)ǎ┻B接，另一端連接中分帶護(hù)欄（圖5、圖6）。

圖5 過(guò)渡段護(hù)欄立面圖

圖6 過(guò)渡段護(hù)欄俯視圖

端部連接機(jī)構(gòu)與單元活動(dòng)護(hù)欄之間的連接機(jī)構(gòu)一樣，均采用內(nèi)置套管連接，過(guò)渡段長(zhǎng)立柱與過(guò)渡板之間通過(guò)螺栓連接，過(guò)渡板與中分帶護(hù)欄拼接后用螺栓固定。

2 實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)及安全性能評(píng)價(jià)

2.1 碰撞試驗(yàn)條件

根據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01-2013)對(duì)護(hù)欄不同防護(hù)等級(jí)對(duì)應(yīng)碰撞試驗(yàn)條件的規(guī)定，Am 防護(hù)等級(jí)開口護(hù)欄的試驗(yàn)碰撞條件如表2 所示[10]。

表2 Am 防護(hù)等級(jí)開口護(hù)欄的實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)條件

小型客車和中型車輛的碰撞點(diǎn)應(yīng)位于中央分隔帶開口護(hù)欄中點(diǎn)和沿試驗(yàn)車輛行車方向距離中央分隔帶開口護(hù)欄終點(diǎn)2 m 處的位置，共進(jìn)行6 次試驗(yàn)，如圖7 所示。

圖7 中央分隔帶開口護(hù)欄的碰撞點(diǎn)位置

2.2 碰撞試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 小型客車

根據(jù)小型客車護(hù)欄中點(diǎn)和端部碰撞試驗(yàn)結(jié)果，護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)變形值分別為0.35 m 和0.20 m，最大橫向動(dòng)態(tài)位移外延值分別為0.60 m 和0.50 m； 中點(diǎn)碰撞后自護(hù)欄起始端起第22.50～27.00 m 護(hù)欄橫梁變形； 第9～11 根長(zhǎng)立柱變形；車輛與護(hù)欄的刮擦長(zhǎng)度為4.80 m；護(hù)欄最大殘留變形為0.20 m。 護(hù)欄端部碰撞后自護(hù)欄起始端起第38.30～40.00 m 護(hù)欄橫梁變形； 第13～16 根長(zhǎng)立柱變形；車輛與護(hù)欄的刮擦長(zhǎng)度為3.80 m；護(hù)欄最大殘留變形為0.10 m。 護(hù)欄中點(diǎn)和端部碰撞護(hù)欄后，前保險(xiǎn)杠、前大燈損壞；車輛前端凹陷或彎曲變形；左側(cè)車體刮擦損壞。

2.2.2 中型客車

根據(jù)中型客車護(hù)欄中點(diǎn)和端部碰撞試驗(yàn)結(jié)果，護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)變形值分別為0.80 m 和0.45 m， 護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)位移外延值1.05 m 和0.75 m，車輛最大動(dòng)態(tài)外傾值1.00 m 和0.75 m ，車輛最大動(dòng)態(tài)外傾當(dāng)量值1.20 m 和0.90 m。 護(hù)欄中點(diǎn)碰撞后自護(hù)欄起始端起， 第18.00～26.00 m 護(hù)欄橫梁變形；第8～12 根長(zhǎng)立柱變形；車輛與護(hù)欄的刮擦長(zhǎng)度為9.40 m；護(hù)欄最大殘留變形為0.72 m。 護(hù)欄端部碰撞后自護(hù)欄起始端起， 第36.40～40.00 m護(hù)欄橫梁變形；第12～17 根長(zhǎng)立柱變形；車輛與護(hù)欄的刮擦長(zhǎng)度為4.60 m； 護(hù)欄最大殘留變形為0.34 m。

2.2.3 中型貨車

根據(jù)中型貨車護(hù)欄中點(diǎn)和端部碰撞試驗(yàn)結(jié)果，護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)變形值分別為0.85 m 和0.40 m，護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)位移外延值1.15 m 和0.65 m，車輛最大動(dòng)態(tài)外傾值分別為0.95 m 和0.55 m，車輛最大動(dòng)態(tài)外傾當(dāng)量值分別為1.10 m 和1.60 m。護(hù)欄中點(diǎn)碰撞后自護(hù)欄起始端起， 第18.50～33.70 m 護(hù)欄橫梁變形； 第9～13 根長(zhǎng)立柱變形；車輛與護(hù)欄的刮擦長(zhǎng)度為12.50 m； 護(hù)欄最大殘留變形為0.80 m。 護(hù)欄中點(diǎn)碰撞后，前保險(xiǎn)杠變形；左前大燈損壞；車輛左前側(cè)車體刮擦損壞。 護(hù)欄端部碰撞后自護(hù)欄起始端起， 第35.50～40.00 m 護(hù)欄橫梁變形；第13～17 根長(zhǎng)立柱變形；車輛與護(hù)欄的刮擦長(zhǎng)度為7.50 m；護(hù)欄最大殘留變形為0.34 m。 護(hù)欄端部碰撞后，前保險(xiǎn)杠變形；前大燈損壞，前擋風(fēng)玻璃破裂脫落；車輛左側(cè)車體刮擦損壞。

2.3 安全性評(píng)價(jià)結(jié)論

實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)結(jié)果表明，該護(hù)欄對(duì)小型客車的阻擋功能、導(dǎo)向功能、緩沖功能以及對(duì)中型客車和中型貨車的阻擋功能、導(dǎo)向功能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求， 護(hù)欄中點(diǎn)和護(hù)欄端部最大橫向動(dòng)態(tài)變形值、最大橫向動(dòng)態(tài)位移外延值、 車輛最大動(dòng)態(tài)外傾值、車輛最大動(dòng)態(tài)外傾當(dāng)量值均滿足試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求，試驗(yàn)結(jié)果有效。 因此，該護(hù)欄安全性能滿足三級(jí)（Am）防護(hù)等級(jí)要求，產(chǎn)品可以在高速公路中央分隔帶開口處推廣使用。

3 產(chǎn)品特點(diǎn)

通過(guò)實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)和高速公路實(shí)際應(yīng)用效果，該護(hù)欄具有以下主要特點(diǎn)：（1）開啟快速。 可插拔和拆卸結(jié)構(gòu)， 應(yīng)急情況下可以實(shí)現(xiàn)3 min 內(nèi)開啟和推移12 m（2 節(jié)），遠(yuǎn)優(yōu)于規(guī)范要求10 min 內(nèi)開啟10 m 的標(biāo)準(zhǔn)。 （2）安全升級(jí)。 通過(guò)旋轉(zhuǎn)摩擦方式把瞬間沖擊能轉(zhuǎn)化成旋轉(zhuǎn)能和摩擦能，有效降低車輛受損和人員傷害程度；通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改變車輛反彈角度，能重新恢復(fù)車輛的正常行駛方向，降低二次事故風(fēng)險(xiǎn)，極大提高安全保障。 （3）材料節(jié)省。產(chǎn)品造型簡(jiǎn)潔，大大節(jié)約材料成本，每延米使用材料約78 kg，是目前市場(chǎng)同類產(chǎn)品材料用量的50%～80%。（4）造型美觀。美觀的造型及靚麗的旋轉(zhuǎn)桶具有較好的視線誘導(dǎo)功能，可提升路容路貌，有效緩解司機(jī)駕駛視覺(jué)疲勞，減低事故發(fā)生率，尤其是夜間及雨天效果更為明顯。（5）安裝簡(jiǎn)便。產(chǎn)品設(shè)計(jì)精巧，單元組裝后在現(xiàn)場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)便捷安裝，大大減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)間，有效降低涉路作業(yè)危險(xiǎn)。 （6）維保簡(jiǎn)單。 受車輛撞擊后僅更換局部受損配件即可，無(wú)需大面積更換；旋轉(zhuǎn)桶為EVA 復(fù)合材料，具有抗化學(xué)物質(zhì)腐蝕、抗老化、抗候性等特點(diǎn)，受車輛撞擊不易破損，使用壽命周期（10 年）內(nèi)無(wú)需更換。

4 結(jié)語(yǔ)

該新型可快速開啟和安裝的高速公路中央分隔帶開口旋轉(zhuǎn)桶式活動(dòng)護(hù)欄，經(jīng)過(guò)小型客車、中型客車、中型貨車3 種車型在護(hù)欄中點(diǎn)和端部實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《公路護(hù)欄全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05－01－2013)的要求，防護(hù)等級(jí)達(dá)到三級(jí)(Am 級(jí)，防護(hù)能量160 kJ)，同時(shí)具有開啟關(guān)閉快、動(dòng)態(tài)變形小、景觀效果好、材料使用省、安裝維護(hù)方便等特點(diǎn)。 該新型活動(dòng)護(hù)欄的研發(fā)與應(yīng)用，將推動(dòng)高速公路中央分隔帶開口護(hù)欄的型式發(fā)生“革命性”變化，在高速公路安全管理上增強(qiáng)安全屏障、 預(yù)防和減少交通事故及降低事故惡性程度上發(fā)揮重要作用， 對(duì)于提升高速公路運(yùn)營(yíng)安全具有重大意義。