高速公路车辆碰撞能量与护栏等级的研究

柳 佳

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

高速公路的安全设计是一个多学科交织的、综合性强的、复杂的系统工程，路线、路基、路面、桥涵、隧道、景观、智能交通、安全设施等专业所有涵盖公路设计的公路人一致致力于提高高速公路的安全性和舒适性，多年来形成了主动引导优先的理念，护栏作为被动防护的最后一道屏障，在保障驾驶人及乘客的生命安全方面起到举足轻重的作用。

1 车辆碰撞能量的分析与计算

护栏作为一种带状吸能结构，设置在高速公路中央分隔带和路侧，起到阻挡车辆冲出道路、导向车辆恢复至正常轨迹、吸能缓冲、降低对驾驶人及乘客的伤害的作用。在《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01-2013)中，护栏防护等级分为八级，每一等级对应特定的防护能量，高速公路如何选取护栏等级是至关重要的。每一等级护栏对应的碰撞能量，即为该护栏能够起到阻挡、导向、缓冲作用所能承受的车辆碰撞能量，护栏等级越高，自然所能承受的能量越强，但护栏的设置要考虑工程经济因素，不能一味做高，如何适度防护显得尤为重要。考虑到投资造价、事故概率等因素，护栏的设置要确保至少85%～90%的车辆不会冲出路外，主流观点认为选取85%位车辆碰撞能量作为选取护栏的依据较为恰当。

根据研究和经验，高速公路的车型构成、车型比例、运行时速、碰撞角度影响着车辆碰撞能量的统计与计算。

(1)

式(1)中，E(kJ)为车辆的碰撞能量(垂直于行车方向)，m(kg)为车辆的车体总质量，v(m/s)为车辆的碰撞速度，θ(°)为车辆的碰撞角度。

(1)车型构成的分析

高速公路的车型构成与比例可以从特征年交通量获得。特征年交通量与社会经济与交通运输密切相关，通过对交通量OD数据的调查、社会经济发展的预测等最终形成特征年交通量。如A高速公路车型组成见表1。车型比例预测见表2。

表1 A高速公路车型分类表

表2 A高速公路车型比例预测

从上述表格中可以看出，该高速公路小型车占比约50%，中型车占比约15%，大型车占比约35%，《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81-2017)规定高速公路护栏等级起设为A级，可以初步判定，鉴于该高速公路大型车占比较高，A级护栏应该已经无法满足基本防护需求。

(2)碰撞速度的统计

高速公路运行速度的高低取决于路线条件，根据《公路项目安全性评价规范》(JTG B05-2015)提供的运行速度运算模型，运行速度由平直路段长度、曲线半径、纵断坡度、隧道单元、互通立交单元等共同决定。在路线条件较好的路段，运行速度往往超过设计速度，各类车型的运行速度在选取范围时，综合考虑了高速公路最低限制速度和相邻路段速度差不超过20km/h的最高行驶速度，而碰撞速度一般取值为运行速度的80%，根据计算，A高速公路各车型碰撞速度区间见表3。

表3 A高速公路碰撞速度区间

(3)碰撞角度的选取

碰撞角度为车辆驶出方向与道路中线的夹角，与交通量、所属车型、行车速度、所在道路位置有关，一般主要依据调研历史交通事故车辆驶出角度进行统计。碰撞角度越大，产生的碰撞能量越大，根据《ROADSIDE DESIGN GUIDE》(4thEdition 2011)的调查结论，小型客车、小型货车的车辆驶出角度一般为[5°,25°]，其他类型车辆驶出角度一般为[5°,20°]。

(4)碰撞能量的计算

按照以上各类车型的碰撞速度、碰撞角度，可以综合得出表4。

表4 各类车型碰撞参数取值范围

通过式(1)计算各类车型碰撞能量区间，累加、统计百分比，结合散状点分布拟合多项式趋近线，可以预测出A高速公路在2020年的车辆碰撞能量累计百分比如图1所示。

2 关于护栏等级的选取

从车辆碰撞能量累计百分比图中获得，85%位碰撞能量为264kJ，根据《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01-2013)的数据，A级护栏防护能量为160kJ，不足以满足85%车辆的碰撞能量，SB级护栏防护能量为280kJ，符合车辆85%位碰撞能量的需求，所以A高速公路的护栏基本起设等级为SB级。当可能发生的事故严重程度更高时，如跨越其他高等级公路、路侧为高填方等，为保障100%的车辆万无一失时，特殊路段考虑设置SS级(520kJ)护栏。

随着高速公路的建成，交通量逐年攀升，车型比例逐年变化，碰撞能量百分比的累计也会随之变化。《高速公路交通工程及沿线设施设计通用规范》(JTG D80-2006)规定钢护栏的使用年限为15年，混凝土护栏的使用年限为20年，护栏作为相对固定的设施，在其有效的使用年限中，设计阶段要适当考虑未来交通比重的影响，以此来考虑护栏等级是否满足未来需求而十分必要，依照上述统计方法，计算出A高速公路未来特征年的碰撞能量累计百分比如图2～图5。

根据以上4个碰撞能量趋势图可以得出，2026年、2031年、2036年、2039年分别对应的85%位碰撞能量是267kJ、270kJ、275kJ、279kJ,均满足SB级护栏的防护能量，究其原因是所预测的未来大型车辆交通比重增长的不多，由此可知，在护栏的有效使用年限期间内确定SB级为最恰当的护栏起设等级。

3 结论与建议

通过对影响车辆碰撞能量的车型构成、碰撞速度、碰撞角度进行分析研究，得到各类车型的碰撞能量，将车型构成的比例与碰撞能量进行逐点标注，得出碰撞能量的累计百分比趋势线，进而得到85%位碰撞能量，以此判断高速公路的护栏最低起设等级。此方法适用于新建高速公路的护栏等级的选取，针对已通车高速公路也可以参考，通过样本观测的方式进行数据的前期统计。随着2017版规范的实施，护栏的防护能力进一步提高，广大设计人员对于护栏起设等级的选取可以参照本文提供的方法进行计算。同时建议，在考虑起设等级的基础上，需要根据驶出道路可能发生交通事故的概率及严重程度，针对重点路段进行90%位碰撞能量的选取，甚至为保障100%的车辆不冲出路外，适当采用具备更高防护能量的护栏等级进行加强设计，这样的设计理念也符合国家发展，《交通强国建设纲要》中要求“完善交通基础设施安全技术标准规范，持续加大基础设施安全防护投入，提升关键基础设施安全防护能力”，护栏设计将更加精细、宽容，继续为交通强国的建设添砖加瓦。