京哈高速公路绥中（冀辽界）至盘锦段改扩建工程新型钢护栏的应用研究

2022-11-17宋星池

企业科技与发展 2022年7期

宋星池

（辽宁省交通规划设计院有限责任公司，辽宁沈阳 110166）

0 引言

绥沈高速公路于2000年9月通车后，长期处于高负荷状态，总体路况在京哈高速公路全线处于中差水平，故采取通道扩容方式将现状的6车道改扩建为整体式10车道标准。考虑到本高速为省内第一条双向10车道的高速公路，且高速沿线地域文化深厚、自然风光较多，将钢护栏进行景观设计不仅能使护栏具备防护能力，还能使其成为高速公路的亮点与风景，故研发具有景观属性的特色钢护栏具有重要意义。

1 项目概况

绥沈高速公路于1997年7月开工建设，绥中至锦州段于1999年9月通车、锦州至沈阳段于2000年9月通车，路线全长360.4 km，全线采用双向6车道高速公路标准建设，设计速度为120 km/h，路基宽度为34.5 m，用地按8车道预留，其中互通立交、特大桥、挖方段、上跨主线立交桥及服务区按双向8车道实施。

沈山高速全线开通后，交通量增长迅猛，由于长期高负荷使用，路面、桥涵病害较严重，频繁出现交通拥堵现象，维修压力大，总体路况在京哈高速公路全线处于中差水平。为缓解通道交通运输紧张局面、进一步促进东北老工业基地全面振兴及区域经济发展战略实施，通道的扩容改造十分迫切和必要[1]。沈山高速公路由旧路6车道进行改扩建设计，采用双侧拼宽整体式10车道标准，设计速度为120 km/h，路基宽度为55.0 m。

国内的高速公路景观大多数偏重于绿化，缺乏自然特征、文化特点、地域特色，单调乏味，造成在高速公路的景观都是千篇一律的状况，已经远远不能满足公路发展需求[2]。

项目改扩建完成后将成为全国里程最长的10车道高速公路，具有十分重要的建设意义，扩建后将畅通省内及东北与华北地区联系的交通运输大动脉，加速辽宁的对外开放和经济发展。项目沿线有丰富的民俗文化，如葫芦烙画、太平鼓、皮影戏、高跷秧歌等；有优美的自然风光，如九华山、红海滩等；还有历史古迹，如兴城古城、关帝庙等。这些民俗景观绚丽，自然风景如画，令人流连忘返。

基于保障行车安全、提升公路服务质量、满足公路定位的需要，对10车道高速公路护栏防护等级和结构形式进行研究分析，研发满足10车道高速公路路基段钢护栏防护需求的新型钢护栏。为缓解司机的视觉疲劳感，同时提升护栏的美观性，使护栏与周围环境更加协调，将地域文化和自然风光元素融入护栏设施，对钢护栏进行景观设计，使钢护栏不仅具有防护车辆的实用性价值，而且成为高速公路上一道亮丽的风景线。

2 项目研究的必要性

近年来，我国高速公路里程的不断增加，不断提高了人们行车方便，但同时交通事故也随之增长。通常情况下，高速公路交通事故被认为是难以完全控制的随机事件，受驾驶员、车辆状态、环境、道路的几何特征等因素影响较大。但针对不同事故案例的研究发现，通过对护栏设施改善和优化能起到降低交通事故严重程度的效果。基于沈山高速公路改扩建项目的安全需求，开展新型钢护栏研究十分必要，主要体现在如下方面。

（1）8车道及以上高速公路护栏防护等级和结构形式选择研究不足。我国高速公路发展迅速，截至2020年底，高速公路总里程已突破16万km，多车道公路里程逐年攀高。至2015年，双向6车道与双向8车道及以上高速公路里程占比达到18%，其中双向8车道以上高速公路总里程为4 701 km，占比4%。近几年，8车道及以上高速公路建设迅猛，高速公路的多车道化将是未来高速公路的发展趋势。以某条8车道高速公路为调查对象，对比该条高速与全国高速公路在2012年至2018年间的交通安全绝对指标，从图1、图2可看出，该高速公路全线事故率与死亡率指标均高于全国高速公路平均值。分析发现，交通量大幅增加是导致该高速公路事故率和死亡率上升的重要因素。同时通过对大量事故的调查发现，8车道及10车道高速公路事故车辆与护栏设施碰撞的角度增大，事故车辆碰撞形态变化较大，是导致死亡率上升的潜在因素。因此，需要对8车道及10车道高速公路事故特征和护栏结构开展研究。

图1 事故率对比

图2 死亡率对比

（2）旅游资源开发的需要。项目沿线有丰富的民俗文化，如葫芦烙画、太平鼓、皮影戏、高跷秧歌等；有优美的自然风光，如九华山、红海滩等；还有历史古迹，如兴城古城、关帝庙等。丰富的旅游资源不为外人所知，造成资源的浪费。护栏作为高速公路最外在的形象，可以直观展现沿线景观特色；而现有高速公路钢护栏主要以传统波形梁护栏为主，外形单一，无法体现当地的文化传统、自然景观，因而大大降低了高速公路护栏作为品牌宣传的作用。

3 特色护栏外观及性能研究

3.1 研究目标

本项目结合辽宁省高速公路运营特点，基于沈山高速改扩建项目由原有双向6车道拓展至10车道，车道数量增加，部分路段车流量趋于饱和，重要路段客车、货车比例大，防护需求提升且不同路段防护需求各异的问题，同时考虑沈山高速沿线地域文化、自然风光，对沈山高速路基段钢护栏进行研究，研究开发出结构安全、景观效果好、外观协调统一、满足10车道高速公路事故车辆防护需求的路基段钢护栏。

3.2 特色护栏防护等级的确定

类比国内现有10车道高速公路所设置护栏的防护等级，根据对应事故调研结果，结合沈山高速交通量、车型比例的相关调研发现，重要路段长途客车、货车占比大，且近年来沈山高速公路事故频发，仅2020年发生交通事故3 075起，事故造成死亡人数67人，占全省交通事故死亡人数的51%。根据《公路交通安全设施设计细则》规定，总质量大于或等于25 t的自然车辆所占比例大于20%时，路侧护栏及中分带护栏的防护等级宜提高1个等级。

另外，依托工程进行交通流现场调研，结合交通量和交通组成，分析其车型比例、车速、车重，碰撞角度，参考《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81—2017）中关于路基护栏防护等级选取的规定及上述对高速公路护栏防护等级的研究，拟定本项目护栏防护等级中分带护栏防护等级为SBm级，路侧护栏防护等级为SS级。

3.3 景观研究

随着社会对环保的重视程度的提高，景观的自然协调性和文化性也成为高速公路不可忽视的一大特征[3]。以《公路交通安全设施设计规范》等规范中设置要求为基础，基于地域文化和自然景观特色，提取景观素材；在此基础上，经抽象化处理后形成景观元素，并融入钢护栏，设计出具有当地特色的新型景观钢护栏，确定最优方案。

满族文化作为辽河文化的显性基因之一，已成为辽宁文脉的重要底色，在弘扬优秀传统文化、展现辽宁文化自信的今天，尤其值得我们去挖掘、保护、传承与创新。特色护栏外观提取满族的“满”字的首字母“M”，将钢护栏横梁的横断面设计为近似于“M”形，如图3所示。

图3 “M”形护栏横梁横断面

3.4 允许变形量分析和护栏结构研究

沈山高速公路中央分隔带和路侧不可穿越的结构物较多，例如桥墩防护处、龙门架等，不同路段结构物防护因允许变形量需求不同，对护栏的最大横向动态位移外延值和车辆最大动态外倾值指标要求不同。因此，要确定沈山高速路基段不同路段结构物的允许变形量，根据允许变形量，进行护栏结构的相关研究，包括护栏高度、立柱间距、横梁间距等参数，确定适宜的护栏结构参数以实现不同等级护栏外观的协调统一。

3.5 方案拟定与结构设计

根据上述拟定的护栏等级、护栏结构参数，在景观护栏方案的基础上，通过护栏结构构造研究，拟定护栏的尺寸与形式方案，同时基于护栏一致性的要求，保证护栏整体外观的协调性。对于拟定的护栏方案，进行经济性、实用性、安全性等多因素对比，确定最优方案。根据拟定的方案，通过计算机仿真验证护栏刚度、强度，保证护栏符合规范规定的防护等级。

3.5.1 路侧及中分带“M”形梁钢护栏

采用有限元分析软件Solidworks及LS-DYNA，通过拆解车辆的方法，自主建立了用于护栏研究的小客车、客车、双层公共汽车、大型货车车辆有限元模型，在国际上率先采用了世界先进的钢筋混凝土护栏动力学有限元模型技术，并通过与实车碰撞试验结果比较的方法修正车辆及护栏模型参数，保证了车辆与护栏碰撞计算机仿真分析的准确性，为不同材料的护栏结构优化提供了基础。

利用Hypermesh、LS-DYNA专业前处理及计算软件，基于计算机仿真技术可有效解决碰撞类问题，是护栏开发及优化的有效手段和工具，可缩短优化周期、降低实车碰撞试验风险，确定设计方案安全性能是否满足规范规定的要求，并在此基础上优化分析。

路侧护栏：布设等级为SS级，护栏顶面据路面高度为1 300 mm，布设3道“M”形梁钢护栏（如图4所示）。路侧护栏仿真数据见表1，通过表中数据与《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81—2017）中SS级波形梁钢护栏对比，SS级“M”形梁钢护栏的W、VIn值均优于同等级的波形梁柱式钢护栏。

表1 路侧护栏仿真数据

图4 路侧“M”形梁钢护栏（单位：mm）

中分带护栏：布设等级为SBm级，护栏顶面据路面高度为1 000 mm，布设2道“M”形梁钢护栏（如图5所示）。中分带护栏仿真数据见表2，通过表中数据与《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81—2017）中SB级波形梁钢护栏对比（细则中无中分带钢护栏的W、VIn数据，但有路侧SB级钢护栏的W、VIn数据），SBm级“M”形梁钢护栏的W、VIn值均优于同等级的波形梁柱式钢护栏。