沪宁高速公路护栏安全性能评价与设计

■张 静

(苏交科集团股份有限公司，南京 210017)

0 引言

公路护栏可阻止事故车辆越出路外或进入对向车道，尽量减少事故的严重程度和对乘员的伤害，使人员伤亡和车辆损失降至最小[1]。沪宁高速公路扩建为双向八车道后，由于交通量增长、车型组成变化和运行速度的提高，对护栏的防护性能提出了更高的要求。而护栏仍是按照早期规范要求建设的，难以满足高速公路交通运行条件的变化和需求，有必要根据公路交通具体情况，在充分利用原有护栏结构的原则下进行护栏安全性能提升设计，提高沪宁高速公路的行车安全水平。

1 沪宁高速公路在用护栏调查与测试

沪宁高速公路 (江苏段)扩建工程于2004年完成设计，护栏的设计主要依据《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》(JTJ 074-94)的规定，路侧和中央分隔带护栏的结构型式为波形梁钢护栏。

查阅沪宁高速公路安全设施的设计资料可知，路侧波形梁护栏采用φ140×4.5mm立柱、厚度为3mm的波形梁护栏板，护栏板通过防阻块固定在立柱上。普通型波形梁护栏的立柱设置间距为4m，加强型波形梁护栏的立柱设置间距为2m。主线中央分隔带波形梁护栏采用φ114×4.5mm立柱、厚度为3mm的波形梁护栏板，护栏板通过防阻块固定在立柱上。普通型波形梁护栏的立柱设置间距为4m，加强型波形梁护栏的立柱设置间距为2m。

波形梁钢护栏横梁中心高度的设计值为600mm，根据规定要求，波形梁钢护栏横梁中心高度允许偏差范围为±20mm。为了核对沪宁高速公路中央分隔带波形梁护栏的实际高度与设计高度是否一致，特别是掌握路基沉陷对护栏高度的影响情况，对苏州、常州、宁镇和无锡四个路段的中分带护栏板中心距离路缘石顶面的高度进行了抽样测量。从测量结果来看，苏州、常州、宁镇段的护栏板中心高度均符合规范的要求，无锡段共测量9处路段，其中7处路段的护栏高度低于规范要求，存在部分路基沉陷的路段，在制定安全性能提升方案时，应对护栏高度不足的情况进行特殊设计。经过现场调研和测试结果可知，目前沪宁高速公路波形梁钢护栏采用热浸镀锌防腐处理后再喷塑，各构件的镀锌层厚度余量和力学性能满足设计要求。

2 沪宁高速公路交通条件与护栏安全性能评价

2.1 交通组成

车型组成和运行速度分析是交通安全评价的基础，护栏的安全性能评价与道路交通条件密切相关[2]。为此，通过调取沪宁高速公路14个断面的交调数据对交通组成情况进行统计，采用激光测速仪对车辆的实际运行速度进行测试，并结合收费站的计重收费设备对车辆荷载情况进行分析。总体来看，沪宁高速公路小客车的车辆运行速度较快，存在接近30%的各类货车，而且道路护栏都是采用安全等级较低的早期设计方案，已经无法适应当前交通安全条件的需求。

2.2 现场车辆碰撞能量与护栏安全性能评价

根据车辆运行速度vi及对应车型的车辆平均总质量mi，计算出每辆调查车辆的碰撞能量，绘制现场车辆碰撞能量Ei累积百分比曲线[3]。根据调查统计的车辆的运行速度和对应车型的车辆平均总质量，计算出每辆调查车辆的碰撞能量，5个测速路段的碰撞能量累积百分比见表1。

表1 各测速路段现场车辆碰撞能量累积百分比

由表1的统计结果可知，沪宁高速公路现有的波形梁护栏(B级，93kJ)对应的车辆碰撞能量累积百分比，常州段最低，为66%，苏州段最高，为80%。这意味着沪宁高速公路现有波形梁护栏能够防住66%～80%的碰撞能量小于93kJ的失控车辆，使其不翻越或穿越护栏。

防护等级为A级(160kJ)的波形梁护栏在车辆碰撞能量累积百分比曲线上对应的百分比在80%～90%之间。除常州段外，防护等级为SB级(280kJ)的波形梁护栏在车辆碰撞能量累积百分比曲线上对应的百分比均超过90%。这意味着将沪宁高速公路现有波形梁护栏防护等级提高到A级，能够防住的失控车辆可提高10～14个百分点；若提高到SB级，能够防住的失控车辆最高可提高20个百分点。

《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81-2006)提出我国护栏设计遵循的原则，是保证85%～90%以上的失控车辆不会越出、冲断或下穿护栏[4]。根据这一原则，沪宁高速公路全线护栏防护等级可设置为A级(160kJ)，个别需要进行重点防护的路段，如事故多发路段，防护等级可提高一级至SB级(280kJ)。

2.3 沪宁高速公路碰撞护栏事故分析

以沪宁高速无锡段为例，2016年1月至12月共发生281起车辆碰撞护栏的事故，其中碰撞中分带护栏146起，碰撞路侧护栏135起。沪宁高速公路无锡段2016年车辆碰撞护栏事故的统计情况见表2。

表2 无锡段2016年车辆碰撞护栏事故统计表

从表2可知，沪宁高速公路无锡段中分带共发生碰撞护栏事故146起，其中18起事故穿越护栏，占碰撞护栏事故总起数的比例为12.3%。路侧共发生事故135起，其中13起事故穿越护栏，占碰撞护栏事故总起数的比例为9.6%。

沪宁高速路侧波形梁护栏的结构与中分带护栏不同。路侧护栏设置了B级二波护栏和SB级三波护栏两种，其中B级二波护栏采用φ140×4.5mm立柱(中分带立柱为φ114×4.5mm)。从碰撞事故的情况来看，路侧护栏对于小客车的防护效果优于中分带护栏。沪宁高速中分带护栏对于小客车具有一定的防护作用，但仍然存在穿越护栏的风险。中分带护栏对于货车和大客车的防护效果欠佳，高达28.6%的事故车辆穿越护栏。总体来说，沪宁高速公路护栏防护等级整体偏低，而且中分带设置灯杆的路段，车辆碰撞护栏后与灯杆再次碰撞的事故风险较高。

3 沪宁高速公路护栏安全性能提升方案设计

当前沪宁高速公路在用波形梁护栏板的结构型式和技术参数与JTG/T D81-2006规范中B级波形梁钢护栏相同，为提高护栏的防护性能，降低交通事故的严重程度，有必要对护栏进行改造设计。在改造设计中，应坚持防护等级第一位原则，使得提升后的护栏结构达到JTG/T D81-2006规范中A级和SB级防护等级的要求。此外，还应综合考虑沪宁高速公路实际情况，尽可能充分利用拆除的旧护栏构件与提升方案中的护栏重新组合，有针对性的提出适用的改造设计方案，在降低护栏改造成本的同时提高施工效率[5]。

3.1 中央分隔带护栏和路侧护栏的提升方案

中央分隔带护栏提升方案包含Bm级提升至Am级设计方案和Bm级提升至SBm级设计方案两部分。路侧护栏提升方案包含B级提升至A级设计方案和B级提升至SB级设计方案两部分。

中央分隔带护栏Bm级提升至Am级设计方案，原有Bm级波形梁护栏φ114mm×4.5mm立柱不变，每两根间距为4m的立柱之间增加一根新的φ114mm×4.5mm、埋深1100m的立柱，使立柱间距加密至2m；原有双波形梁护栏板拆除，更换成厚度为3mm的三波形梁护栏板，三波形梁护栏板中心距地面高度为70cm；原防阻块拆除，替换为高度为400mm的加长防阻块，三波形梁护栏板与加长防阻块采用螺栓连接。路侧护栏B级提升至A级设计方案与中央分隔带护栏Bm级提升至Am级设计方案基本一致，且结构整体强度高于经由Bm级波形梁护栏完善后的Am级波形梁护栏。

中央分隔带护栏Bm级提升至SBm级设计方案，原有Bm级波形梁护栏板不变，通过内套管将原有φ114mm×4.5mm立柱加高400mm，每两根间距为4m的立柱之间增加一根新的φ114mm×4.5mm立柱，使立柱间距加密至2m，新立柱与原有护栏板通过螺栓连接。防阻块更换为具有较强的缓冲功能的异形防阻块，在原有波形梁护栏板的上方平行增加一道3mm波形梁护栏板(可利用Am级提升方案中拆卸的旧护栏板)，形成双排双波梁护栏。路侧护栏B级提升至SB级设计方案与中央分隔带护栏Bm级提升至SBm级设计方案一致。

对护栏结构通过有限元仿真分析方法进行安全性能评价，小客车(质量 1.5t、时速 100km/h)和大客车(质量10t、80km/h)采用统一参数，碰撞角度取 20°[6]。经有限元仿真分析，护栏安全性能评价结果见表3。

由表3的有限元仿真模拟验证结果可知，中央分隔带护栏和路侧护栏在各级碰撞条件下，对小型车(1.5t、100km/h、20°)和大型车(10t、80km/h、20°)具有良好的导向作用，试验车辆与护栏发生碰撞后未发生穿越、翻越、骑跨护栏的现象。护栏的防护性能、乘员风险、驶出角度、车辆运行轨迹、车辆运行状态、护栏最大动态变形量等性能指标均符合我国交通行业标准 《高速公路护栏安全性能评价标准》(JTG/T F84-02-2004)中护栏的评价要求，表明设计方案安全可靠。

表3 波形梁护栏方案评价结果

3.2 各提升方案新增用钢量对比

中央分隔带护栏和路侧护栏各提升方案的新增用钢量，在中分带护栏Bm级提升至Am级的方案和路侧护栏B级提升至A级的方案中，考虑到拆除的旧双波形梁护栏板还能继续使用，计算新增用钢量时减去了旧双波形梁护栏板的重量。与新建同防护等级护栏的用钢量对比结果见表4。

由表4的计算结果可知，与新建同防护等级的护栏相比，充分利用旧护栏构件的提升方案，对于中央分隔带护栏，用钢量分别减少了39%和58%，路侧护栏则分别减少了25%和52%。由此可见，所提出的护栏安全性能提升方案，可大大降低护栏的改造成本。

表4 护栏安全性能提升方案用钢量与新建护栏对比(单侧1km)

4 结论

(1)实际调查和测试表明，沪宁高速公路护栏防护等级整体偏低，而且中分带设置灯杆的路段，车辆碰撞护栏后与灯杆再次碰撞的事故风险较高。

(2)在充分利用旧护栏构件、降低建设成本的原则下，提出4种护栏升级改造设计方案的安全性能符合规范要求。

(3)与新建同防护等级的护栏相比，所提出的护栏安全性能提升方案的钢材用量有大幅减少，工程改造成本大大降低。