公路护栏安全性能星级评定方法研究

卜倩淼， 张宏松

(1.交通运输部公路科学研究所，北京 100088； 2.北京中交华安科技有限公司, 北京 100088)

0 引言

护栏设计是交通安全设施设计的一个重要部分，但目前交通工程设计还主要处于解决符合标准和规范的要求阶段[1]。在对护栏等级进行选择的时候，主要考虑到了路侧危险程度、边坡高度、设计速度等条件[2-5]，但在等级选择之后，对于护栏型式的选择就往往比较困惑，即同一防护等级的护栏，应该如何选择才能做到更加安全、美观、经济性好并与项目相适用。现行的《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01-2013)[1]虽然给出了护栏的安全性能评价标准，但无法对比同级别护栏的优劣性，即在评价护栏安全性能的时候只是简单地判定满足或不满足标准，在同一级别中无法比较优劣，在护栏研发和鼓励市场方面缺乏引导。

针对这一问题，本文提出了护栏星级评定指标和标准。并选取4种经《公路护栏安全性能评价标准》 (JTG B05-01-2013)[1]实车碰撞试验验证的A级护栏安全性能评价数据，采用星级评定方法分析4种护栏的安全性能，为护栏的选型提供参考，从而最大限度地发挥护栏本身的作用。

1 星级评定方法

1.1 评价指标

本文提出的星级评定方法是将已通过我国《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01-2013)[1]碰撞安全性能测试的护栏进行星级评分，评价结果按星级划分并公开发布，旨在给予护栏使用者直观、系统、客观的护栏信息，为设计者提供选型依据。

在对护栏标准段、护栏过渡段和中央分隔带开口护栏安全性能进行评价时，根据《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01-2013)规定应检测其阻挡功能、缓冲功能、导向功能、护栏最大横向动态变形值D、护栏最大横向动态位移外延值W、车辆最大动态外倾值VI和车辆最大动态外倾当量值VIn[1,6-8]。

阻挡功能是指公路护栏阻挡碰撞车辆穿越、翻越和骑跨的能力。护栏应能够阻挡车辆穿越、翻越和骑跨，并试验护栏构件与其脱离件不得侵入车辆乘员舱。缓冲功能是指公路护栏降低对碰撞车辆和车内乘员冲击程度的能力。乘员碰撞速度的纵向与横向分量均不得大于12 m/s，乘员碰撞后加速度的纵向与横向分量均不得大于200 m/s2。导向功能是指公路护栏使碰撞车辆向行车方向顺利导出并恢复运行状态的能力。车辆碰撞后不得翻车。车辆驶出驶离点后的轮迹经过特定的导向驶出框时不得越出横向线。护栏最大横向动态变形值D指车辆碰撞试验护栏过程中，试验护栏变形后迎撞面相对于其初始位置的最大横向水平位移。护栏最大横向动态位移外延值W指车辆碰撞试验护栏过程中，试验护栏变形后最外边缘相对于试验护栏碰撞前内边缘的最大横向水平距离。车辆最大动态外倾值VI指大中型车辆(包括特大型客车)在碰撞试验护栏过程中外倾时，车辆最外边缘相对于试验护栏碰撞前最内边缘的最大横向水平距离。车辆最大动态外倾当量值(VIn)指实车足尺碰撞试验测出的车辆最大动态外倾值(VI)按照车辆总高4.2 m换后的车辆最大动态外倾值。

综上所述，在对护栏标准段、护栏过渡段和中央分隔带开口护栏安全性能进行评价时，其指标要求不光有定性分析，还存在定量分析。由于护栏通过《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01-2013)定义防撞等级时已进行过定性分析，同一等级的护栏在定量分析指标时的值不相同，并且定量指标之间不重复。因此公路护栏安全性能星级评定时，仅对《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01-2013)中的定量评价指标打分。

由于阻挡功能的指标和导向功能的“车辆碰撞后不得翻车”均为定性分析，故不计入星级评定指标。缓冲功能针对乘员碰撞速度和乘员碰撞后加速度进行评分，导向功能针对车辆碰撞后的轮迹最外侧与试验护栏碰撞前迎撞面的横向距离进行打分。由于护栏最大横向动态变形值D与护栏最大横向动态位移外延值W具有正相关性[9]，车辆最大动态外倾值VI与车辆最大动态外倾当量值VIn也具有正相关性，而W和VIn是护栏实际应用时非常重要的使用指标值，本文仅针对护栏最大横向动态位移外延值W和车辆最大动态外倾当量值VIn进行评分[7-8]。

此外，护栏实车碰撞试验时，实际碰撞能量一般会大于现行《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01)规定的标准碰撞能量，实际碰撞能量越大，护栏的安全裕度越大[10]。因此，对同一防护等级的护栏安全性能进行星级评定时，应根据大中型车辆的实际碰撞能量进行加分。

综上所述，护栏标准段、过渡段和中央分隔带开口护栏的安全性能星级评定时，其评价指标为导向功能，缓冲功能，护栏最大横向动态位移外延值W，车辆最大动态外倾当量值VIn，实车碰撞试验实际碰撞能量。

1.2 评分标准

前文确定了护栏星级评定评价指标，其中导向性能、护栏最大横向动态位移外延值W(m)，车辆最大动态外倾当量值VIn(m)，均对一个指标进行分析，缓冲功能对乘员碰撞后的速度和加速度2个指标进行分析。5个指标同等重要，依据重要性一致原则，设定护栏标准段、过渡段和中央分隔带开口护栏的安全性能星级评定基础分满分100分，每个指标占20分。附加分10分，为碰撞能量加分。因此，安全性能评价指标满分110分，包括基础分100分，其中导向功能 20分,缓冲功能(车辆碰撞后乘员的速度和加速度)40分,护栏最大横向动态位移外延值W(m) 20分,车辆最大动态外倾当量值VIn(m)20分；附加分10分，其中实车碰撞试验实际碰撞能量加分10分。

a.安全性能。

① 导向功能。

车辆碰撞后的轮迹最外侧与试验护栏碰撞前迎撞面的横向距离X如图1所示。

图1 护栏标准段的车辆轮迹导向驶出框

图1中直线P为试验护栏碰撞前迎撞面最内边缘的地面投影线；直线F与直线P平行且间距为A；直线F起点位于驶离点在直线F上的投影点，长度为B。参数A和B的取值见表1。

表1 参数A和B的取值Table 1 Value A and B碰撞车型A/mB/m小型客车2.2+Vw+0.16VL10中型客车(包括特大型客车)、大中型货车4.4+Vw+0.16VL20注: VW为车辆总宽,m;VL为车辆总长,m。

车辆碰撞试验护栏导出后离开驶出框过程中，X值应小于表1中的A值。当X不大于最外侧车道宽度与硬路肩宽度之和或最内侧车道宽度、左侧路缘带宽度与C值之和或最内侧车道宽度与最内侧车道边缘线到中央分隔带活动开口护栏迎撞面的距离之和时，碰撞车辆不会对其他车道内正常行驶车辆造成影响。根据现行公路交通安全设施设计规范和细则对护栏防护等级选取的规定，基于最不利原则，假定试验护栏设置于其防护等级对应的最低技术等级道路上，采用《公路工程技术标准》(JTG B01-2014)对该等级道路规定的车道宽度、左侧路缘带宽度、硬路肩宽度、C值的最小值进行设置，确定了路侧、中央分隔带和中央分隔带开口护栏较优X的最大值(Xopt-max)，如表2所示。

表2 Xopt-max的取值Table 2 Value Xopt-max护栏设置位置防护等级Xopt-max/m一级(C级)、二级(B级)3.0三级(A级)3.5路侧四级(SB级)3.75五级(SA级)4.5六级(SS级)、七级(HB级)、八级(HA级)5.0二级(Bm级)、三级(Am级)、四级(SBm级)4.25中央分隔带五级(SAm级)4.5六级(SS级)、七级(HB级)、八级(HA级)5.0二级(Bm级)、三级(Am级)、四级(SBm级)4.0+(1.5-WU)/2中央分隔带开口五级(SAm级)4.25+(1.5-WU)/2六级(SS级)、七级(HB级)、八级(HA级)4.5+(2-WU)/2 注: WU为中央分隔带开口护栏的整体宽度。

导向功能评分规则如下：针对小型客车：当Xopt-max<2.2+VW+0.16VL时，X≤Xopt-max，单项分值得满分20分，X=2.2+VW+0.16VL，单项分值得1分，Xopt-max

导向功能单项得分=试验各车型对应的护栏导向功能评分最小值。

② 缓冲功能。

《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01-2013)对小型客车中的乘员碰撞后的速度和加速度均作出要求，具体如下:Vx≤12 m/s，Vy≤12 m/s ，ax≤200 m/s2，ay≤200 m/s2。将此作为缓冲功能最低分值时的各分项值。

统计大量实车碰撞试验记录数据，取累计百分比为15%对应的速度值和加速度值，如图2和图3所示，分别为Vx=3 m/s、Vy=2 m/s、ax=30 m/s2、ay=30 m/s2，将15%对应的速度和加速度值作为缓冲功能最高分值时的各分项值。

图2 速度分项统计表

图3 加速度分项统计表

对小型客车中的乘员碰撞后的速度和加速度打分，4项分项满分分别为40分，其中Vx和Vy分项得分低者为缓冲功能项的速度得分，ax和ay分项得分低者为缓冲功能项的加速度得分；此单项满分40分。

Vx≤3 m/s，分项分值得满分20分，Vx=12 m/s，分项分值得1分，3 m/s

Vy≤2 m/s，分项分值得满分20分，Vy=12 m/s，分项分值得1分，2 m/s

ax≤30 m/s2，分项分值得满分20分，ax=200 m/s2，分项分值得1分，30 m/s2

ay≤30 m/s2，分项分值得满分20分，ay=200 m/s2，分项分值得1分，30 m/s2

缓冲功能单项得分=min(Vx得分，Vy得分)+ min(ax得分，ay得分)

b.小型客车、大型客车和大型货车碰撞护栏时，使护栏产生最大横向动态位移外延值W越大，对行车越不利。

剔除实车试验车辆重量、碰撞速度和碰撞角度的误差影响，对护栏最大横向动态位移外延值W的试验值进行修正，对修正后的护栏最大横向动态位移外延值W分等级评分[7-8]。

将实验测得的W进行修正[8]：

WN=WU+(Wm-WU)×

(1)

式中：WU为护栏宽度，m；Wm为护栏最大横向动态位移外延值W，m;Mt为标准规定车辆重量,kg；Vt为标准规定碰撞速度，m/s；αt为标准规定碰撞角度,(°)；Mm为试验车辆重量,kg;Vm为试验碰撞速度,m/s;αm为试验碰撞角度,(°)。

记录小型客车、大型客车和大型货车的护栏最大横向动态位移外延值W，单项得分为20分，取不同车型碰撞下得分最低值为该单项得分。

将修正后的WN分为9级[7-8]，各等级得分如表3所示。

表3 护栏最大横向动态位移外延值W评分标准Table 3 Scoring standard for W等级修正后的WN值/m分项得分W1≤0.620W2>0.6且≤0.818W3>0.8且≤1.016W4>1.0且≤1.314W5>1.3且≤1.710W6>1.7且≤2.16W7>2.1且≤2.54W8>2.5且≤3.52W9>3.50

护栏最大横向动态位移外延值W单项得分=试验各大型车对应的最大动态外延值W评分最小值。

c.车辆最大动态外倾当量值VIn(m)越大，护栏使用越受限。对车辆最大动态外倾当量值VIn进行修正，对修正值按等级评分。

将试验测得的VIn进行修正[8]：

(2)

式中：VIN为修正后的车辆最大动态外侧当量值,m;VIm为试验车辆最大动态外倾当量值VIn，m；Mt为标准规定车辆重量,kg;Vt为标准规定碰撞速度,m/s;αt为标准规定碰撞角度，(°)；Mm为试验车辆重量，kg;Vm为试验碰撞速度,m/s;αm为试验碰撞角度,(°)。

记录大型客车和大型货车的车辆最大动态外倾当量值VIn，单项满分20分，取不同车型碰撞下得分最低值为该单项得分。

将VIN分为9级[7-8]，各等级得分如表4所示。

表4 车辆最大动态外倾当量值VIn评分标准Table 4 Scoring standard for VIn等级修正后的VIn值/m分项得分VI1≤0.620VI2>0.6且≤0.818VI3>0.8且≤1.016VI4>1.0且≤1.314VI5>1.3且≤1.710VI6>1.7且≤2.16VI7>2.1且≤2.54VI8>2.5且≤3.52VI9>3.50

车辆最大动态外倾当量值VIn单项得分=试验各大型车对应的最大动态外倾当量值VIn评分最小值。

d.实际碰撞能量加分。

对护栏实车碰撞试验的大中型车辆进行实际碰撞能量计算[11-12]，当实际碰撞能量等于现行《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01)规定的相应等级设计防护能量E时，该项得0分;当实际碰撞能量Em达到JTG B05标准规定的各项指标容许误差的上限计算所得上限防护能量EL时[1]，得10分，中间分项分值采用Et和EL线性插值的方法得出。实际碰撞能量最多加10分，取各种大中型车辆加分的大值。Et为标准规定设计防护能量,kJ;Em为实际碰撞能量,kJ;EL为上限防护能量,kJ。

碰撞能量计算公式：

(3)

式中：E为垂直作用于护栏的碰撞能量,kJ；M为汽车质量,kg；V为碰撞速度,m/s；α为碰撞角度,(°)。

1.3 护栏星级分级

护栏标准段、护栏过渡段和中央分隔带开口护栏的安全性能星级按综合评分划分为五级，见表5。

表5 护栏标准段、护栏过渡段和中央分隔带开口护栏安全性能星级划分标准Table 5 Star-rating evaluation of standard sections of high-way barriers、transition sections of highway barri-ers and highway barriers of median opening分数星级分数星级<40分一级(★)≥75分且<90分四级(★★★★)≥40分且<60分二级(★★)≥90分五级(★★★★★)≥60分且<75分三级(★★★)

2 公路护栏安全性能星级评定案例

2.1 典型护栏案例选取

采用星级评定方法对4种通过A级(160 kJ)实车足尺碰撞试验验证的护栏标准段进行星级评定，《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01-2013)[1]规定的A级护栏的设计防护能量是160 kJ，试验碰撞条件[1,13]如表6所示，4种护栏形式如图4所示。

表6 防护等级A级的试验碰撞条件Table 6 Impact test conditions of protection level A防护等级碰撞车型车辆总质量/t碰撞速度/(km·h-1)碰撞角度/(°)小型客车1.510020160 kJ中型客车106020中型货车106020

(a) A级三波护栏

2.2 星级评定结果分析

对4种护栏各单项得分和附加分列表对比分析，如表7所示。4种护栏星级评定结果为：A级三波护栏★★、A级钢背竹景观护栏★★★、A级梁柱式护栏★★★★、A级直墙式混凝土护栏★★★★★。

A级三波护栏总得分较低，主要是由于货车试验碰撞过程中，护栏最大横向动态位移外延值W为1.35 m，车辆最大动态外倾当量值VIn为2.73 m(如图5所示)，导致这2项评分相对较低。因此，A级三波护栏主要适用于路侧障碍物距离护栏较远的路段，亦可适用于货车比例较小的路段。

图5 货车运行轨迹

A级钢背竹护栏客车在碰撞后驶离护栏时，驶出角度较大，中型客车碰撞后的轮迹最外侧与试验护栏碰撞前迎撞面的横向距离X为5 m(见图6)，其导向功能得分为13.62分，可应用于外侧车道较宽或者交通量不大的景区公路或旅游公路。

表7 护栏星级评定结果对比分析Table 7 Star-rating evaluation results护栏单项得分导向功能缓冲功能护栏最大横向动态位移外延值W车辆最大动态外倾当量值VIn碰撞能量加分总分星级 三波20 25.561020.4157.98★★钢背竹13.6229.4714141.6772.76★★★梁柱式20 19.6020142.5876.18★★★★直墙型混凝土20 29.2820201.1890.46★★★★★

图6 中型客车运行轨迹

A级梁柱式护栏各单项均衡得分，护栏星级四级(★★★★)，其安全防护性能较优。护栏下部采用混凝土基座，可适用于具有现场浇筑混凝土条件、同时对护栏安全性能要求相对较高路段。

A级直墙型混凝土护栏，各项指标均表现优秀，护栏星级五级(★★★★★)，其安全防护性能高，对安全性能要求高的路段可优先选用[14-15]。

星级评定结果与护栏实车足尺碰撞试验结果表现一致，星级评定方法为护栏选型提供了依据。

3 总结

a.本文提出护栏安全性能星级评定方法，研究确定星级评分指标和评分标准，以及等级划分方式。

b.根据护栏安全性能星级评定方法，进行了几种A级护栏的安全性能星级评价，得到：A级三波护栏★★、A级钢背竹景观护栏★★★、A级梁柱式护栏★★★★、A级直墙式混凝土护栏★★★★★。通过对几种护栏的实车碰撞试验过程和结果深入分析可知，星级越高的护栏，安全性能越高，适用性越好。进而验证了星级评定指标选取与评分标准划分的合理性，及星级评定方法的有效性。该方法将护栏安全性能更直观地表现出来，方便设计人员优选护栏，促进护栏行业创新发展和技术升级。