装配式开口护栏结构设计及安全性能评价

张永钊

（1.福建省高速公路联网运营有限公司，福州 350001；2.福建省高速公路工程重点实验室，福州 350001）

目前，国内主要采用的开口护栏形式包括预应力开口护栏、插拔式开口护栏、伸缩式开口护栏和填充式开口护栏等[1]。预应力开口护栏中钢管桁架为主体结构，两端各设置1 个端头，使用混凝土将其浇筑在基础内，两端使用螺母将整个护栏张紧，形成整个护栏结构。插拔式开口护栏主要包括护栏架、预留圆孔等。其中，护栏架由钢管和立柱等零件焊接而成。基础大多采用抽换式立柱基础。伸缩式开口护栏每个开口由2 组组成，使用钢结构加工成组件通过螺栓或销栓连接而成。填充式开口护栏主要由标准护栏单元结构组成，市面产品较多，预制护栏块大多由塑料制成，加工工艺多种多样，断面型式可采用F 型或单坡型，塑料结构内部为中空，腔体填充细砂或水等材料，如水马。上述开口护栏大部分仅具有警示和视线诱导作用，不仅不具有防护等级，更无安全防护功能。

1 结构设计理念

首先需满足规范需求，保证设计开口护栏的灵活性，应当确保在只有2 名工人进行操作时，护栏能够在10 min 内开启不少于10 m 的长度[2]。其次开口护栏在满足灵活移动的同时要具备规定的防撞能力。我国目前具有相应防撞能力的护栏基本不具备灵活开启的功能；而现有的开口护栏多为插拔式、推拉式或充水充砂式，均不具备规定的防撞能力，且此类开口护栏大多耗费钢材数量巨大，如能开发一种利用老旧护栏结构材料的开口护栏，更符合国家推行的节能减排的理念。因此，结合开口护栏研发经验和相关规范要求，提出开口护栏设计新理念：利用二波形护栏设计开口护栏，在护栏连接处设置快速开启结构，护栏开启时可满足全部开启、闭合时具有可靠的安全防护性能[3]。

2 开口护栏结构设计

依据开口护栏新理念设计出的新型组合式开口护栏同时具备快速开启和安全防护功能。

2.1 开口护栏结构

新型组合式开口护栏由护栏标准节和连接销组成，其两端与中央分隔带护栏连接。

1）护栏标准节长4.32 m，其主要结构件有厚度为4 mm 的二波形梁板，利用老旧二波板，推行国家节能减排，连接部位使用2 块连接板分别与二波板搭接，在连接板内侧设置一处插销孔，使用插销固定，开口护栏标准单元在开启过程中只需拔出立柱与销钉即可。

2）护栏立柱设计间距1.75 m，小于标准护栏的2 m立柱间距，增加结构整体强度，减小护栏变形量，保障车辆安全；为了方便其安装，护栏板之间预留6 mm伸缩缝。

3）设计插拔立柱规格为Φ140mm×4.5mm×1 255 mm，路面以下立柱插入深度为300 mm，据了解路面下结构复杂，通常含有管线且可能包含水稳结构，为了保障现有路面结构不被破坏，设计立柱插入深度300 mm。

4）高速公路护栏设置情况复杂，需充分考虑开口护栏与过渡段连接，保障连接平顺，从高度、刚度、宽度去多维度解决过渡问题，保证护栏的安全性。

2.2 过渡段结构设计

高度不一绊阻、刚度突变难以引导、迎撞面过渡搭接不均都是目前现有开口护栏过渡段所面临的问题，极易引起失控车辆发生绊阻、翻车等事故，严重危急行车安全[4]。本设计结构充分考虑过渡段问题，对过渡段进行精细化设计。

1）开口护栏端部与二波板护栏过渡：拆除原有开口护栏及前后各4 m 波形梁护栏，上部设置2 块二波变三波护栏，下部设置2 块二波护栏，端部二波板设置圆形包头，且中间立柱需浇筑混凝土基础。

2）开口护栏与砼护栏过渡：拆除原有开口护栏，在开口护栏与砼护栏之间设置2 块二波板，使用膨胀螺栓将二波板与砼护栏连接，使用高强螺栓将二波板与开口护栏连接。

3）拆除开口护栏及前后各4 m 波形梁护栏，在两侧上部设置1 块二波变三波护栏，一端与开口护栏连接，另一端与三波梁护栏连接。下部设置2 块二波护栏，端部安全圆形端头，完成开口护栏与三波护栏的过渡。

3 装配式开口护栏安全性能评价

开口护栏的安全性能评价根据JTG B05-01—2013《公路护栏安全性能评价标准》相关要求，采用小型客车、中型客车和中型货车3 种车型分别对护栏进行碰撞试验。实车足尺碰撞试验是按照规定的试验碰撞条件，采用1∶1 比例的试验车辆与试验护栏进行碰撞，见表1，基于检测所获取的试验数据综合评价护栏安全性能的方法[5]。

表1 A 级试验条件

3.1 小型客车试验结果

小型客车碰撞开口护栏中部和端部行驶轨迹如图1 所示，显示小型客车在与护栏发生碰撞后平稳驶出，随即恢复正常行驶状态，护栏的导向性能良好；未发生穿越、翻越和跨越护栏等现象，护栏阻挡功能满足评价指标要求。

图1 小型客车行驶轨迹

小型客车碰撞开口护栏中部缓冲性能评价如图2所示，司乘碰撞速度的纵向最大分量为3.6 m/s、横向最大分量为6.3 m/s，均不大于12 m/s；司乘碰撞后加速度的纵向分量为34.2 m/s2、横向分量为94.3 m/s2，均不大于200 m/s2。小型客车碰撞开口护栏端部缓冲性能评价如图3所示，司乘碰撞速度的纵向分量最大为3.7 m/s，横向最大分量为6.0 m/s，均不大于12 m/s；司乘碰撞后加速度的纵向分量为85.2 m/s2，横向分量为140.0 m/s2，均不大于200 m/s2，满足评价指标要求，且各项指标优异。

图2 小型客车中部加速度与碰撞速度

图3 小型客车端部加速度与碰撞速度

3.2 中型客车试验结果

中型客车碰撞开口护栏中部和端部行驶轨迹如图4，显示中型客车在与护栏发生碰撞后平稳驶出，随即恢复正常行驶状态，护栏的导向性能良好；未发生穿越、翻越和跨越护栏等现象，护栏阻挡功能满足评价指标要求。

图4 中型客车行驶轨迹

3.3 中型货车试验结果

中型货车碰撞开口护栏中部和端部行驶轨迹如图5 所示，显示中型货车在与护栏发生碰撞后平稳驶出，随即恢复正常行驶状态，护栏的导向性能良好；未发生穿越、翻越和跨越护栏等现象，护栏阻挡功能满足评价指标要求。

图5 中型货车行驶轨迹

小型车辆未发生下钻，缓冲指标较优。中型车辆未发生碾压，且护栏变形及车辆外倾较小，护栏防护效果较好，见表2。各项指标均满足JTG B05-01—2013《公路护栏安全性能评价标准》的相关指标要求，装配式开口护栏安全性能满足Am 级防护等级要求。

表2 中型客车与中型货车系统变形情况m

4 结束语

本文基于现有高速公路对开口护栏的需求，结合高速公路开口护的栏应用情况，设计了装配式开口护栏，提出了开口护栏开启时具备快速开启功能、闭合时应具有可靠的安全防护功能的设计新理念，并提出了利用二波板等老旧护栏结构进行新型防撞开口护栏设计的方案。按照JTG B05-01—2013《公路护栏安全性能评价标准》，通过实车碰撞试验验证了该新型开口护栏的安全性能，填补了对中央分隔带开口护栏的空缺，并在福建某高速全线应用，设计及应用在开口护栏安全防护领域具有重要意义，也为今后开口护栏的设计及研发提供借鉴。