基于兩波板再利用的公路中央分隔帶開口護欄開發研究

邰永剛，楊 杰

（1.北京交科公路勘察設計研究院有限公司，北京；2.福建省高速技術咨詢有限公司，福建 福州）

引言

中央分隔帶開口護欄是設置于公路中央分隔帶開口處、具有開啟功能的公路護欄結構段，其主要功能是在緊急情況下方便一些特殊車輛（如交通事故處理車、急救車等）行駛到對向車道，或在一側道路施工封閉時車輛可臨時進入對向車道通行。現行《公路交通安全設施設計規范》[1]中對開口護欄的防護等級、開啟時間以及過渡處理均提出了具體的要求，但沒有相應的設計圖參考，因此目前公路上出現了多種不同結構形式、不同等級的開口護欄。目前的開口護欄結構形式主要包括預應力式、框架式、組合式等等，防護等級涵蓋Am 到SAm 多個等級。開口護欄的結構基本是以鋼管預應力索以及三波板橫梁、型鋼橫梁為主要材料，而高速公路在進行護欄提質升級改造過程中，由于兩波梁護欄已無法滿足現行規范的防護等級要求，目前采用的主要方法是對原護欄材料進行應用，應用較多的是雙層兩波梁護欄方案，例如石安高速護欄采用的3 mm 雙層兩波護欄，其最終檢測護欄的防護能量為147 kJ[2]；交通部西部課題《高速公路波形護欄防撞能力提升改造技術研究》中，研究了雙層雙波形梁板方案，該方案預留1 次路面加鋪的需求，防護能量達到160 kJ 以上[3]，另外團體標準《高速公路護欄改造技術指南》[4]中也提供了多種波形梁護欄防護能力提升方案，由于部分公路在進行護欄改造中淘汰的兩波板數量巨大，而高速公路、一級公路中央分隔帶開口護欄需求較多，因此考慮將舊兩波板應用到開口護欄結構中，本文根據開口護欄的功能需求、結構需求以及舊兩波板護欄材料現狀，設計一種雙層兩波板開口護欄，其防護等級達到現行規范的Am 級。

1 需求及現狀分析

1.1 開口護欄功能需求及評價標準

根據現行設計規范《公路交通安全設施設計規范》要求，開口護欄應具備的功能包括以下幾個方面：

（1） 應有效地組織非緊急車輛在中央分隔帶開口處的通行。

（2） 中央分隔帶開口護欄應方便開啟與關閉、具有可移動性，宜在10 min 內開啟10 m 及以上的長度。

（3） 應與相鄰中央分隔帶護欄能合理過渡。

（4） 中央分隔帶開口處活動護欄的兩固定端安裝應牢固，連接部分應具有防盜功能。

從上述要求分析，開口護欄應具備在緊急情況下可快速開啟，而在常態情況下應保持關閉且具備防盜功能，開口護欄要與兩側連接的正常段護欄有效過渡，從而降低車輛碰撞中央分隔帶護欄段部導致絆阻的事故隱患。

而根據《公路護欄安全性能評價標準》[5]要求，開口護欄應具備的防護功能包括：阻擋功能、緩沖功能以及導向功能，開口護欄的碰撞點均應位于中央分隔帶開口護欄中點和沿試驗車輛行車方向距離中央分隔帶開口護欄終點2 m 位置處，因此開口護欄的防護性能驗證需要進行6 次實車碰撞試驗檢測。

1.2 舊護欄現狀

舊護欄材料在使用一段時間后由于受氣候、碰撞等影響可能出現材料性能下降的問題，為驗證舊護欄材料的可靠性，選取了我國南方沿海省份浙江省，北方地區的山東省以及內陸運營環境較差（運煤通道）的山西為研究對象，對其已營運高速公路上的護欄材料進行拉伸試驗檢測，以確定其材料性能在何種情況下可以滿足使用要求。選取護欄立柱、兩波板、防阻塊等構件進行檢測，每種材料檢測三次，取平均值。所選取護欄的樣品材料使用期限超過10 年，且材料無明顯銹蝕現象，鍍鋅層厚度可小于建設起標準，但外觀應保持完好。

從表1 的檢測結果分析，護欄材料在鍍鋅層沒有明顯破壞的條件下，其材料的屈服強度以及抗拉強度與標準Q235 材料相比變化不大，材料仍能保持較好的強度和延伸率，從數據分析中可以認為，這些護欄材料在公路上拆除后仍然可以回收利用。

表1 不同地域護欄材料拉伸試驗數據

2 護欄結構設計

結合公路波形梁護欄改造方案研究，為最大程度的利用原有護欄構件，開口護欄仍采用雙層兩波板護欄結構設計，由于護欄板長度為標準板，長度為4 320 mm，因此立柱間距根據橫梁長度設置，標準段長度為4 000 mm，共設置3 根立柱，路面預埋套筒，深度不小于30 cm。立柱采用外套管的形式與六角形防阻塊連接，防阻塊與護欄板連接。護欄標準段兩波板兩端采用了傳統護欄的拼接連接，下層防阻塊底部設置支架和萬向輪，以使護欄方便移動。

建立該護欄的仿真計算模型，如圖1 所示，分別采用中型客車、中型貨車以及小型客車對護欄防護性能進行分析，考慮到過渡位置的護欄剛度較大，在進行初步結構設計時僅對碰撞護欄中部位置進行驗證。

圖1 護欄標準段設計

驗證結果顯示，護欄防護性能均滿足評價標準要求。中型客車碰撞時，護欄雖然能阻擋車輛，但由于防阻塊剛度較低，導致護欄變形量較大，車輛沿護欄爬升，翻車風險增加，如圖2 所示。同時，雖然護欄采用護欄板搭接的方式提高了連接強度，但由于搭接方式采用了螺栓連接，打開、關閉時操作難度大，且開口護欄為雙向順搭設計，導致單節開口護欄無法平移，很難滿足護欄快速開啟的時間要求，需要對結構進行相應的優化設計。

圖2 大客車碰撞護欄防阻塊擠壓變形及車輛爬升

3 護欄防護性能優化分析

根據初步結構設計分析結果，將立柱外套管的形式調整為套管與防阻塊一體化結構，為降低防阻塊變形將其設計為楔形結構，與護欄板直接連接。護欄標準段兩端采用了對接連接，兩波板段部設置加強連接件，單側設置一個連接銷連接，以實現護欄可平移開啟，如圖3 所示，下層防阻塊底部設置支架和萬向輪，方便護欄移動。

圖3 護欄連接部設計

采用三種車型進行碰撞仿真分析，驗證結果顯示，各車型碰撞護欄中部位置后，護欄的阻擋、緩沖、導向功能均滿足評價標準要求，中型客車及貨車碰撞時，碰撞區域立柱變形明顯，護欄連接部產生錯位，但護欄連接沒有失效。各車型碰撞距離護欄端部2 m 位置時，護欄過渡部分的各項功能也滿足評價標準要求。

根據仿真計算結果分析，該方案可作為實車碰撞試驗推薦方案進行試驗。

4 實車碰撞試驗驗證

4.1 樣品安裝

該中央分隔帶開口護欄由護欄標準節、連接銷組成，開口護欄兩端與標準中央分隔帶護欄過渡連接。護欄標準節長4.32 m，單節立柱間距1.75 m；節間立柱間距0.82 m；其主要結構件有厚度為4 mm 的兩波形梁板，φ140×4.5×1355（mm）插拔立柱，由厚度4.5 mm的折彎板、φ159×5.0（mm）支撐管及50×30×4（mm）方管腳輪支架組成的套管框架，以上鋼材材質為Q235；連接銷為φ30×490（mm），材質為45#鋼；護欄安裝總高度1.01 m，安裝寬度0.50 m，安裝長度42.88 m，安裝后樣品如圖4 所示。

圖4 護欄試驗樣品安裝

4.2 碰撞護欄中部

車輛碰撞護欄過渡段后，均能安全駛出，沒有翻車、穿越、騎跨現象，車輛沒有駛出駛出框，小客車碰撞時車輛最大加速度值為橫向94.3 m/s2，最大碰撞速度為6.3 m/s，滿足評價標準要求。從碰撞結果看，小型客車在與開口發生碰撞后，護欄變形較小，但中型客車與貨車碰撞時，護欄變形較大，且護欄標準段連接處出現了較為明顯的錯位現象，如圖5 所示，護欄各項評價指標均滿足評價標準要求，如表2 所示。

圖5 護欄連接處錯位

表2 護欄變形試驗結果

4.3 碰撞護欄端部

車輛碰撞護欄過渡段后，均能安全駛出，沒有翻車、穿越、騎跨現象，車輛沒有駛出駛出框，小客車碰撞時車輛最大加速度值為橫向140 m/s2，最大碰撞速度為6 m/s，滿足評價標準要求。從碰撞結果看，護欄變形較為平順，各項評價指標均滿足評價標準要求。

結束語

基于公路護欄設置現狀，兩波板護欄在高等級公路中已逐漸被三波板護欄淘汰，本文以舊兩波板為基礎材料，研究了一種中央分隔帶開口護欄。通過實車碰撞試驗驗證，其防護等級達到了現行規范的Am級，可適用于高等級公路的中央分隔帶開口防護。該護欄結構充分利用舊護欄構件，避免了公路養護、改造中的材料浪費，提高了公路養護、建設項目的綠色化進程，有效降低了公路建養過程中的碳排放。