京哈高速公路綏中（冀遼界）至盤錦段改擴建工程新型鋼護欄的應用研究

宋星池

（遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，遼寧 沈陽 110166）

0 引言

綏沈高速公路于2000年9月通車后，長期處于高負荷狀態，總體路況在京哈高速公路全線處于中差水平，故采取通道擴容方式將現狀的6車道改擴建為整體式10車道標準?？紤]到本高速為省內第一條雙向10車道的高速公路，且高速沿線地域文化深厚、自然風光較多，將鋼護欄進行景觀設計不僅能使護欄具備防護能力，還能使其成為高速公路的亮點與風景，故研發具有景觀屬性的特色鋼護欄具有重要意義。

1 項目概況

綏沈高速公路于1997年7月開工建設，綏中至錦州段于1999年9月通車、錦州至沈陽段于2000年9月通車，路線全長360.4 km，全線采用雙向6車道高速公路標準建設，設計速度為120 km/h，路基寬度為34.5 m，用地按8車道預留，其中互通立交、特大橋、挖方段、上跨主線立交橋及服務區按雙向8車道實施。

沈山高速全線開通后，交通量增長迅猛，由于長期高負荷使用，路面、橋涵病害較嚴重，頻繁出現交通擁堵現象，維修壓力大，總體路況在京哈高速公路全線處于中差水平。為緩解通道交通運輸緊張局面、進一步促進東北老工業基地全面振興及區域經濟發展戰略實施，通道的擴容改造十分迫切和必要[1]。沈山高速公路由舊路6車道進行改擴建設計，采用雙側拼寬整體式10車道標準，設計速度為120 km/h，路基寬度為55.0 m。

國內的高速公路景觀大多數偏重于綠化，缺乏自然特征、文化特點、地域特色，單調乏味，造成在高速公路的景觀都是千篇一律的狀況，已經遠遠不能滿足公路發展需求[2]。

項目改擴建完成后將成為全國里程最長的10車道高速公路，具有十分重要的建設意義，擴建后將暢通省內及東北與華北地區聯系的交通運輸大動脈，加速遼寧的對外開放和經濟發展。項目沿線有豐富的民俗文化，如葫蘆烙畫、太平鼓、皮影戲、高蹺秧歌等；有優美的自然風光，如九華山、紅海灘等；還有歷史古跡，如興城古城、關帝廟等。這些民俗景觀絢麗，自然風景如畫，令人流連忘返。

基于保障行車安全、提升公路服務質量、滿足公路定位的需要，對10車道高速公路護欄防護等級和結構形式進行研究分析，研發滿足10車道高速公路路基段鋼護欄防護需求的新型鋼護欄。為緩解司機的視覺疲勞感，同時提升護欄的美觀性，使護欄與周圍環境更加協調，將地域文化和自然風光元素融入護欄設施，對鋼護欄進行景觀設計，使鋼護欄不僅具有防護車輛的實用性價值，而且成為高速公路上一道亮麗的風景線。

2 項目研究的必要性

近年來，我國高速公路里程的不斷增加，不斷提高了人們行車方便，但同時交通事故也隨之增長。通常情況下，高速公路交通事故被認為是難以完全控制的隨機事件，受駕駛員、車輛狀態、環境、道路的幾何特征等因素影響較大。但針對不同事故案例的研究發現，通過對護欄設施改善和優化能起到降低交通事故嚴重程度的效果?；谏蛏礁咚俟犯臄U建項目的安全需求，開展新型鋼護欄研究十分必要，主要體現在如下方面。

（1）8車道及以上高速公路護欄防護等級和結構形式選擇研究不足。我國高速公路發展迅速，截至2020年底，高速公路總里程已突破16萬km，多車道公路里程逐年攀高。至2015年，雙向6車道與雙向8車道及以上高速公路里程占比達到18%，其中雙向8車道以上高速公路總里程為4 701 km，占比4%。近幾年，8車道及以上高速公路建設迅猛，高速公路的多車道化將是未來高速公路的發展趨勢。以某條8車道高速公路為調查對象，對比該條高速與全國高速公路在2012年至2018年間的交通安全絕對指標，從圖1、圖2可看出，該高速公路全線事故率與死亡率指標均高于全國高速公路平均值。分析發現，交通量大幅增加是導致該高速公路事故率和死亡率上升的重要因素。同時通過對大量事故的調查發現，8車道及10車道高速公路事故車輛與護欄設施碰撞的角度增大，事故車輛碰撞形態變化較大，是導致死亡率上升的潛在因素。因此，需要對8車道及10車道高速公路事故特征和護欄結構開展研究。

圖1 事故率對比

圖2 死亡率對比

（2）旅游資源開發的需要。項目沿線有豐富的民俗文化，如葫蘆烙畫、太平鼓、皮影戲、高蹺秧歌等；有優美的自然風光，如九華山、紅海灘等；還有歷史古跡，如興城古城、關帝廟等。豐富的旅游資源不為外人所知，造成資源的浪費。護欄作為高速公路最外在的形象，可以直觀展現沿線景觀特色；而現有高速公路鋼護欄主要以傳統波形梁護欄為主，外形單一，無法體現當地的文化傳統、自然景觀，因而大大降低了高速公路護欄作為品牌宣傳的作用。

3 特色護欄外觀及性能研究

3.1 研究目標

本項目結合遼寧省高速公路運營特點，基于沈山高速改擴建項目由原有雙向6車道拓展至10車道，車道數量增加，部分路段車流量趨于飽和，重要路段客車、貨車比例大，防護需求提升且不同路段防護需求各異的問題，同時考慮沈山高速沿線地域文化、自然風光，對沈山高速路基段鋼護欄進行研究，研究開發出結構安全、景觀效果好、外觀協調統一、滿足10車道高速公路事故車輛防護需求的路基段鋼護欄。

3.2 特色護欄防護等級的確定

類比國內現有10車道高速公路所設置護欄的防護等級，根據對應事故調研結果，結合沈山高速交通量、車型比例的相關調研發現，重要路段長途客車、貨車占比大，且近年來沈山高速公路事故頻發，僅2020年發生交通事故3 075起，事故造成死亡人數67人，占全省交通事故死亡人數的51%。根據《公路交通安全設施設計細則》規定，總質量大于或等于25 t的自然車輛所占比例大于20%時，路側護欄及中分帶護欄的防護等級宜提高1個等級。

另外，依托工程進行交通流現場調研，結合交通量和交通組成，分析其車型比例、車速、車重，碰撞角度，參考《公路交通安全設施設計規范》（JTG D81—2017）中關于路基護欄防護等級選取的規定及上述對高速公路護欄防護等級的研究，擬定本項目護欄防護等級中分帶護欄防護等級為SBm級，路側護欄防護等級為SS級。

3.3 景觀研究

隨著社會對環保的重視程度的提高，景觀的自然協調性和文化性也成為高速公路不可忽視的一大特征[3]。以《公路交通安全設施設計規范》等規范中設置要求為基礎，基于地域文化和自然景觀特色，提取景觀素材；在此基礎上，經抽象化處理后形成景觀元素，并融入鋼護欄，設計出具有當地特色的新型景觀鋼護欄，確定最優方案。

滿族文化作為遼河文化的顯性基因之一，已成為遼寧文脈的重要底色，在弘揚優秀傳統文化、展現遼寧文化自信的今天，尤其值得我們去挖掘、保護、傳承與創新。特色護欄外觀提取滿族的“滿”字的首字母“M”，將鋼護欄橫梁的橫斷面設計為近似于“M”形，如圖3所示。

圖3 “M”形護欄橫梁橫斷面

3.4 允許變形量分析和護欄結構研究

沈山高速公路中央分隔帶和路側不可穿越的結構物較多，例如橋墩防護處、龍門架等，不同路段結構物防護因允許變形量需求不同，對護欄的最大橫向動態位移外延值和車輛最大動態外傾值指標要求不同。因此，要確定沈山高速路基段不同路段結構物的允許變形量，根據允許變形量，進行護欄結構的相關研究，包括護欄高度、立柱間距、橫梁間距等參數，確定適宜的護欄結構參數以實現不同等級護欄外觀的協調統一。

3.5 方案擬定與結構設計

根據上述擬定的護欄等級、護欄結構參數，在景觀護欄方案的基礎上，通過護欄結構構造研究，擬定護欄的尺寸與形式方案，同時基于護欄一致性的要求，保證護欄整體外觀的協調性。對于擬定的護欄方案，進行經濟性、實用性、安全性等多因素對比，確定最優方案。根據擬定的方案，通過計算機仿真驗證護欄剛度、強度，保證護欄符合規范規定的防護等級。

3.5.1 路側及中分帶“M”形梁鋼護欄

采用有限元分析軟件Solidworks及LS-DYNA，通過拆解車輛的方法，自主建立了用于護欄研究的小客車、客車、雙層公共汽車、大型貨車車輛有限元模型，在國際上率先采用了世界先進的鋼筋混凝土護欄動力學有限元模型技術，并通過與實車碰撞試驗結果比較的方法修正車輛及護欄模型參數，保證了車輛與護欄碰撞計算機仿真分析的準確性，為不同材料的護欄結構優化提供了基礎。

利用Hypermesh、LS-DYNA專業前處理及計算軟件，基于計算機仿真技術可有效解決碰撞類問題，是護欄開發及優化的有效手段和工具，可縮短優化周期、降低實車碰撞試驗風險，確定設計方案安全性能是否滿足規范規定的要求，并在此基礎上優化分析。

路側護欄：布設等級為SS級，護欄頂面據路面高度為1 300 mm，布設3道“M”形梁鋼護欄（如圖4所示）。路側護欄仿真數據見表1，通過表中數據與《公路交通安全設施設計細則》（JTG/T D81—2017）中SS級波形梁鋼護欄對比，SS級“M”形梁鋼護欄的W、VIn值均優于同等級的波形梁柱式鋼護欄。

表1 路側護欄仿真數據

圖4 路側“M”形梁鋼護欄（單位：mm）

中分帶護欄：布設等級為SBm級，護欄頂面據路面高度為1 000 mm，布設2道“M”形梁鋼護欄（如圖5所示）。中分帶護欄仿真數據見表2，通過表中數據與《公路交通安全設施設計細則》（JTG/T D81—2017）中SB級波形梁鋼護欄對比（細則中無中分帶鋼護欄的W、VIn數據，但有路側SB級鋼護欄的W、VIn數據），SBm級“M”形梁鋼護欄的W、VIn值均優于同等級的波形梁柱式鋼護欄。

表2 中分帶護欄仿真數據

圖5 中分帶“M”形梁鋼護欄 （單位：mm）

4 “M”形梁鋼護欄在本項目的應用

主線整體式路基段中分帶護欄采用SBm級路基護欄，小橋、通道、明涵路段采用SBm級橋上護欄，暗通道及暗涵采用SBm級護欄（埋）。

主線路側設置SS級護欄，其中路基標準段采用SS級路基護欄，小橋、通道、明涵路段采用SS級橋上護欄，暗通道及暗涵采用SS級護欄（埋入式）。

5 結論

新型鋼護欄結合了沈山高速公路地域文化，寓意豐富，在滿足10車道安全功能的前提下，設施造型新穎、不同防護等級護欄外觀協調。“M”形梁鋼護欄在后續設計工作中也將同步進行實車碰撞試驗，待通過實車碰撞后，可用于項目施工。