缆索护栏在公路安全生命防护工程中的应用

林　栋

（海南省公路勘察设计院，海南 海口 570206）

0　引言

随着海南省中线高速琼中至乐东段、横向万洋高速的开工以及海南省农村扶贫道路工程的建设，海南即将迎来快捷舒适、四通八达的公路网。然而与此同时，道路交通事故数量也在逐年上升，其中路侧事故所占比重最大。据不完全统计，路侧事故数量占全部道路交通事故数量的1/3左右，而路侧事故所造成的伤亡人数比重则要明显高于路侧事故数量比重。由此可见，路侧事故相比其他类型事故而言更具有严重性。

护栏作为路侧安全防护设施，通过自身变形或者失控车辆抬高吸收碰撞能量，从而改变车辆的行驶方向，起到防止车辆冲出路外、降低驾驶员受伤程度和保护路侧建筑物的作用。护栏最大限度地降低了道路交通事故的严重程度和经济损失，为道路上能够高效便捷地行车提供了安全保障。护栏按照受力力学特性的不同可以分为刚性护栏、半刚性护栏和柔性护栏三种形式。其中，我国使用最广泛的是半刚性护栏，即波形梁护栏。柔性护栏是一种具有较大缓冲能力的韧性护栏，主要是缆索护栏。对于扶贫农村公路特别是山区公路，安全防护更为重要，针对路侧安全问题，采用合适的缆索护栏，可有效提高当前低等级山区公路交通安全水平[1]。

1　缆索护栏的结构组成

缆索护栏是一种具有较大缓冲能力的柔性安全护栏，是与刚性护栏相对应的另一极端形式。它以数根施加了初拉力的缆索固定于支柱上，主要依靠缆索的拉应力来抵抗车辆的碰撞并吸收碰撞能量，缆索在弹性范围内工作，具有较大的韧性缓冲能力，能够达到“以柔克刚”的效果。汽车撞击缆索护栏的过程极为复杂，是一个典型的大位移、大转动、大应变且具有未知约束的强非线性问题。在撞击过程中，缆索的拉应力随着汽车的相对运动不断变化，缆索和中间立柱的摩擦力则随着缆索拉应力的变化而变化，这便又影响着汽车的运动轨迹。

缆索护栏主要由防阻块、缆索、固定缆索部件、立柱等结构组成。防阻块由螺栓固定在立柱上，缆索由固定缆索部件安装在防阻块上。

（1）缆索。缆索是钢索护栏的主体部分，对其强度、韧性、索径和防腐能力等均有较高的要求。护栏采用5根或者6根平行缆索，由优质碳素结构钢制造，表面镀锌，具有较高的强度和抗腐蚀性能。

（2）护栏立柱。护栏立柱包括端部立柱和中间立柱，是主要的受力构件。中间立柱在拦截过程中承受较强的冲击力，需要有较大的抗弯刚度和抗扭刚度，采用圆筒型焊管支撑架，普通碳素结构钢板制造；端部立柱承受缆索拉力和失控车辆的碰撞力，采用三角形支架的稳定结构，铸钢制造。

（3）防阻块。防阻块称为钢索托架，与立柱采用的材料相同。它能支撑缆索，保持缆索的距离和结构形态，具有缓冲吸能、减少绊阻等作用。

2　缆索护栏的优点分析

近年来，防护护栏经过试验检测以及其使用效果表明，高性能的柔性缆索护栏有它独特的优点。缆索护栏价格便宜、易于修理、施工和撞击后维修较经济，能提高高速公路路侧安全性和透视效果。合理的使用柔性缆索护栏具有一定的社会效益、经济效益和环境效益。

2.1　经济效益

（1）工程造价较低，节约钢材资源。在工程造价方面，缆索护栏相比其他护栏而言具有较强的优势。依据有关调研分析，不同种类护栏的每延公里造价各异。混凝土墙式护栏整体式约为15万元，分离式约为18万元，波形梁护栏约13万元，缆索护栏约为11万元，可见缆索护栏的经济效益十分显著。使用钢材方面，相比波形梁护栏的用钢量，缆索护栏用钢量更为节省（见表1）。由表1可知，缆索护栏比防护等级相同的三波形梁钢护栏节约钢材77%左右，比双波形梁钢护栏节约钢材47%左右，满足“资源节约、可持续发展”的理念[2]。

表1　每公里护栏使用钢材对比

（2）施工方便，安装成本较低。缆索护栏的立柱设置间距较灵活，打入或埋入的立柱比波形立柱数量少，跨越涵洞、通道等结构物障碍时，调整桩位较容易，给施工安装带来极大方便，挂缆后的线形调整也较容易。安装时，将施加初应力的缆索用索端锚具固定于端部上，在中间立柱上设置防阻块或托架和U型螺栓与缆索相连；施工时，工艺比波形护栏拼接简单，施工成本降低。

（3）减少维修费用，具有防盗性能。缆索护栏完全依靠缆索的拉应力来抵抗车辆的碰撞，依靠立柱、托架的解体变形、移位及缆索的摩擦来吸收失控车辆的能量。由于缆索在弹性范围内工作，因此缆索护栏在遭碰撞事故后，一般不需要更换缆索，只需要更换中间立柱和托架。缆索护栏基本不需要除锈涂漆保养，具有较好的防盗性能，减少了维修养护等相关费用。在冬季，由于缆索护栏结构不阻雪，进而减少了冬季防滑、除雪及日常公路养护工程量。相比而言，波形钢护栏在遭碰撞后，则需要更换波形板以及立柱，平时还需要定期除锈涂漆保养。

2.2　社会效益

（1）具有良好的路侧安全防护功能。缆索护栏具有较好的柔韧性，能有效地吸收失控车辆的能量，防止车辆冲出路侧边缘，避免发生二次事故。因此，其车损及伤亡率均低于混凝土护栏和波形梁护栏的车损及伤亡率。同时，缆索护栏的碰撞突破率也低于波形梁护栏的突破率。

（2）适用性强，符合我国地域特征复杂的国情。在软土路段和估计有不均匀沉降路段上设置缆索护栏，可有效减轻路基沉降对护栏的损伤。在长直路段、大弯道、风景区等地方设置缆索护栏，其美观的外形与景观较协调，驾驶员没有压抑感，行车较舒适。缆索直径小，迎风面积远远小于波型钢护栏，因此缆索护栏更适用于海南的温度及台风环境。

（3）缆索护栏对车辆的包容性好，对大尺寸车辆有较好的引导作用。

2.3　环境效益

（1）防腐性能优良，耐用环保。缆索护栏表面采用防腐技术进行处理。相较于传统的热镀锌方式，“多元合金共渗”技术更环保、无污染、防腐性能非常好，通过连续自动化热浸镀技术，在熔融状态的锌液中添加铝、镁、硅等元素，一定温度下将镀液浸镀在钢板或钢带表面，形成具有高耐腐蚀性的锌－铝－镁等合金镀层。

（2）具有良好的通透性和景观融合效果。缆索护栏结构简捷明快，通透性好，护栏形式美观，与高速公路周边的环境相协调。汽车行驶时没有压迫感，可在缆索护栏上加线形诱导标、轮廓标或外加PE塑料扣板进行装饰，更能增强视觉诱导效果，减轻驾驶员疲劳。

3　设置路侧缆索护栏需考虑的因素

设置缆索护栏时，需考虑以下因素:

（1）缆索护栏的变形量。护栏在碰撞受力后的变形量是护栏设置时要考虑的一个重要因素，尤其是当被防护对象为刚性物体时。如果护栏防护的是刚性物体，那么护栏与被防护物体之间的距离应不小于护栏在受车辆撞击后所发生的实际变形量。《高速公路护栏安全性能评价标准》(JTG/T F83－01-2001)给出了缆索护栏的最大动态变形量为1 000 mm。如果护栏与障碍物的间距不能得到保证，那么在到达碰撞物体前的一段护栏就要采取加大力柱尺寸、减少力柱间距、加强梁板强度等措施以减小护栏的变形量[3]。

（2）缆索护栏初始拉力大小。柔性缆索护栏初始拉力的大小对碰撞轨迹和缓冲宽度有直接影响。改变材料的力学性能，选择弹性模量与强度比值小且抗拉强度比较大的材料，可以增大缓冲距离。选择相应缆索材料将会更加充分地体现出此种结构的优点。

（3）缆索护栏端部外展。护栏的端部通常进行外展处理，主要用于路侧护栏由起始位置到被防护障碍物(如桥墩)间的过渡。外展处理使路侧护栏端部距离行车道更远，将护栏逐渐引入到与行车道边缘线平行的位置，使护栏防护的路侧障碍物不会轻易引起驾驶员较多的注意力，有利于行车安全。护栏外展的缺陷也很明显，展开率 (b∶ a)越大，车辆碰撞角就越大（见图1）。随着碰撞角的增加，事故的严重程度也会增大。推荐的设计速度为100 km/h和80 km/h的公路，其路侧护栏端部展开率分别为1∶18和1∶16。

图1　护栏端部外展处理示意图

（4）缆索护栏位置的设置。我国高速公路路侧护栏一般设置在土路肩上，《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》（JTJ 074-94）中只根据土路肩宽度对路侧护栏与路肩边缘之间的最小距离进行了规定，却没有对护栏与障碍物之间应有的合理间距进行规定。护栏位置的设置与其作用的发挥程度紧密相关，与道路交通安全息息相关[4]。在设置缆索护栏时，应结合道路的实际情况和缆索护栏的功能要求，对其具体的布设位置进行研究，既要让路侧缆索护栏发挥功效，又不影响到正常的交通秩序。

（5）缆索护栏的最小设置长度。护栏最小设置长度是指护栏的标准段、渐变段和端头所构成的总长度。路侧护栏的最小设置长度，主要考虑护栏的整体作用，只有当护栏作为连续梁时，才能很好地发挥整体效果，护栏才是有效的。如果护栏设置长度较短，不但影响美观，而且不能发挥护栏的导向功能，增加碰撞的危险性。

4　结语

本文对缆索护栏的研究和应用现状进行了综述，阐述了缆索护栏的结构组成，并对缆索护栏的优点进行了分析，其适应性强、安全性好、施工方便、易于维护修复、经济效益明显。再结合山区高速公路的特点，提出了缆索护栏的适用条件，最后分析了在设置缆索护栏时需考虑的关键问题，为缆索护栏在公路安全生命防护工程的推广应用提供参考。

涉及雄安新区的高速公路项目2020年通车

今年，河北省高速公路建设项目多为京津冀协同发展、雄安新区建设、冬奥会和扶贫攻坚等重大战略保障项目，按照应通必通、应开必开、应建必建要求，2020年重点是津石等涉及雄安新区的高速项目建成通车。

今年河北省高速公路建设总规模将达到20条段以上，近2 000 km，确保通车584 km，力争达到700 km左右，新开工力争达到600 km以上。每一个项目都明确了具体开工时间和通车时间：今年重点是力争太行山高速建成通车，2019年重点是延崇高速公路建成通车，2020年重点是津石等涉及雄安新区的高速项目建成通车。

其中，京雄高速和延崇高速公路建设将坚持对标世界眼光、国际标准、中国特色、高点定位的要求，以“雄安质量”的标准，努力打造资源节约、生态环保、低碳节能、智慧高效、服务为本的高品质绿色示范公路。