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    我國公路護欄設計技術簡析
    2021-11-12  作者:劉會學、邰永剛

      我國公路護欄設計技術簡析

      交通運輸部公路科學研究院 劉會學、邰永剛

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      公路護欄(以下簡稱“護欄”)在保障公路行車安全方面的作用已得到公眾和社會的廣泛認可。近年來,交通運輸部不斷完善公路護欄等交通安全設施標準規范,公路護欄等交通安全設施技術水平持續提高。針對車輛穿越中央分隔帶護欄駛入對向車道等重大事故,地方交通運輸主管部門和公路養護管理單位加大投入,評估并提升一些路段的護欄防護能力。同時大家也認識到,再高的護欄防護等級也難以完全杜絕重型貨車沖撞護欄等惡性事故發生,要降低事故的發生率及嚴重程度,必須從規范駕駛行為以及提升車輛性能、交通管理水平、公路技術指標、護欄技術性能等方面綜合施策。以下主要從護欄設計技術角度進行相應的解析。

      一、公路護欄的概念

      公路護欄是設置于公路行車道外側或中央分隔帶的一種帶狀防護吸能結構,當事故車輛碰撞護欄時,通過阻擋、護欄自身自體變形或車輛爬升吸收碰撞能量緩沖和導向等 ,從而阻擋車輛并降低對司乘人員的傷害程度。

      護欄按照所在公路橫斷面的位置,可分為路側護欄和中央分隔帶護欄;按照受到車輛碰撞后的變形程度,可分為剛性護欄、半剛性護欄和柔性護欄。

      二、功能和屬性

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      在車輛正常行駛和一定的設計條件下,護欄可以實現下列功能:一是阻止車輛穿越中央分隔帶沖入對向車道;二是防止車輛在橋梁等危險路段越出路外,或將護欄板沖斷,或從護欄板下鉆出越出路外;三是適當誘導駕駛員的視線和行駛軌跡;四是發生輕微等碰撞時,使車輛向行駛方向順利導出或恢復行駛狀態;五是發生車輛失控碰撞護欄時,通過護欄自身緩沖吸能降低對乘員的損傷程度。

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      護欄是發生交通事故后,與車輛被動防護等共同作用,減少人員傷亡或降低人員傷害程度的一道重要屏障。設置護欄本身并不會減少或避免交通事故的發生,而且護欄本身也是一種障礙物,并非設置的數量越多越好、越強越好、防護等級越高越好。護欄是要在駕駛員狀態良好、車輛性能正常、操作符合規定的條件下,綜合考慮車型構成和公路平面縱面線形條件,設計速度與運行速度,交通量以及環境景觀、安全因素以及經濟承受能力等因素,合理設置。

      三、設計條件

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      根據事故致因理論,不存在絕對安全,任何事物均潛伏著危險因素。人的不安全行為或不安全因素是產生事故的主要原因,因此預防交通事故應首先從駕駛員的安全駕駛抓起,這也是投入最少、效果最明顯的措施。物的不安全狀態會導致更嚴重的事故后果,車輛的主動安全系統、制動、被動安全系統等技術性能和護欄等設施的設置也應引起足夠的重視,因此應加強交通安全設施的設置、設計,通過設置主動引導設施降低事故發生的概率,通過設置被動防護設施降低事故的嚴重程度。

     ?。ǘ┰O計條件的提出。

      公路上發生交通事故的車輛中,既有小型客車、中型客貨車,也有大型客貨車,其整備質量、碰撞速度和角度、重心高度對護欄破壞的后果各有不同。參照部分發達國家的經驗,依托交通運輸部科技項目“高速公路波形梁護欄防撞能力提升改造技術研究”等成果,我國公路護欄的設計條件主要為:

      1.從碰撞能量的角度,滿足防護85%位正常行駛的車輛基本防護能量。即對公路上行駛的車輛,剔除無證駕駛、酒駕、毒駕、超速、超載、車輛剎車失靈等因素后,因偶發因素導致車輛碰撞路側或中央分隔帶的事故時,護欄應具備阻擋85%位以上碰撞能量的能力。據此在《高速公路交通安全設施設計及施工技術規范》(JTJ 074-94,簡稱94版)和《高速公路交通工程及沿線設施設計通用規范》(JTG D80-2006,簡稱06版)之后,2017年發布了公路工程行業標準《公路交通安全設施設計規范》(JTG D81—2017,簡稱17版),根據事故嚴重程度等級提出防護等級及能量指標,進一步提升了我國公路護欄的防護能力,如:設計速度為80~120km/h的高速、一級公路的防護等級從三級(A級)到六級(SS級),防護能量從160kJ到520kJ;根據路測特殊危險路段的防護需要,增加了七、八級防護等級,對于橋梁護欄,最高等級可達八級(HA級),防護能量為760kJ;設計速度為60~80km/h的一、二級公路的基本防護等級為二級(B級);三、四級公路的基本防護等級為一級(C級)。公路條件因交通組成、運行速度、路側條件等的不同,按基本防護能量設置的護欄,部分路段實際能達到90%位或以上的防護水平。

      2.公路平縱指標較低和車輛整備質量、碰撞角度和速度增加的,有可能導致事故發生后果更嚴重的路段,按下列條件增加一個等級:

     ?。?)二級及以上公路縱坡等于或接近于現行《公路工程技術標準》(JTG B01)規定的最大縱坡值的下坡路段;二級及以上公路圓曲線半徑等于或接近于現行《公路工程技術標準》(JTG B01)規定的最小半徑的路段外側。

     ?。?)設計交通量中,總質量大于或等于25噸的車輛自然數所占比例大于20%時。

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      與國外相比,我國高速公路護欄基本防護等級高于日本、法國、英國和北歐等國家,與美國、德國、意大利相當;普通公路護欄,我國護欄的防護等級與美國、日本基本一致。圖1、2分別摘錄歐盟高速公路上設置護欄的最小法定防護等級、EN1317規定的護欄防護能量。從中可以看出,歐盟國家高速高速公路最為發達和行車速度最快的德國、意大利,其防護標準也最高,路側、中央分隔帶護欄對大客車防護指標高,橋梁護欄更是達到大貨車防護的最高指標。同比我國公路護欄設計防護能量最高值已高于美國、歐盟和日本等國外標準。

      

       圖1歐盟高速公路上設置護欄的最小法定防護等級

      

       圖2EN1317規定的護欄防護能量

     ?。ㄋ模┲饕愋图敖Y構特點。

      1.剛性護欄。

      剛性護欄是車輛碰撞后基本不變形的護欄,混凝土護欄是主要代表型式,車輛碰撞時通過爬高來吸收碰撞能量并導向。

      剛性護欄的優點是剛度大、強度高,可抵抗強力沖擊,有效避免車輛穿越護欄事故,但由于剛度大,緩沖吸能效果差,對車內人員傷害較大,尤其對小客車傷害大。

      2.半剛性護欄。

      半剛性護欄在車輛碰撞后會有一定的變形,又具有一定的強度和剛度。波形梁護欄是主要代表,車輛碰撞時利用土基、立柱、波紋狀鋼板的變形來吸收碰撞能量并導向。

      半剛性護欄的優點是施工方便、景觀效果較好,對乘員的傷害較小,但對土基壓實度的要求較高,與其他型式的護欄連接時,需要做好過渡處理。

      3.柔性護欄。

      柔性護欄是具有較大緩沖能力的韌性護欄結構。纜索護欄是主要代表形式,車輛碰撞時依靠纜索的拉應力來吸收碰撞能量并導向。

      柔性護欄的優點是對乘員的傷害最小,通透性最好,與自然環境協調性好,且冬季不阻雪,缺點是碰撞回彈后可能對同向其他車輛造成影響,對土基壓實度的要求也較高,日常養護成本較高。

      4.橋梁護欄。

      橋梁護欄的主要類型為剛性護欄和半剛性護欄,前者以混凝土護欄為主,后者以金屬梁柱式護欄為主。此外,由混凝土和金屬梁柱組成的組合式護欄也是常用的橋梁護欄類型。

      橋梁路段由于發生事故后的風險等級高于一般路基路段,因此橋梁護欄的防護等級往往高于路基護欄。

      四、減少碰撞護欄事故、減輕事故損傷的措施

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      減少我國公路上的事故數及損傷程度,首先要從人和車的角度出發,從源頭根治,必須減少和杜絕疲勞駕駛、酒后駕駛等違法行為,改正不良駕駛習慣,加強駕駛員培訓,嚴格駕駛員安全行車管理;同時應提升車輛性能,特別是大型客貨車制動、主動安全等方面的性能,減少車輛失控造成的重大交通事故。

     ?。ǘ┕芳扔凶o欄提升建議

      1.事故分析。

      據了解,2011年至2020年全國高速公路上共發生車輛穿越中央分隔帶護欄導致的一次死亡10人以上重特大交通事故12起。分析這些事故,一是集中在大型客貨車,載重量大、載人多,穿越中央分隔帶護欄進入對向車道或穿越橋梁護欄跌入水中造成群死群傷的惡性事故;二是事故車輛高速撞擊護欄,碰撞能量遠超護欄設計值,技術上難以防范;三是事故往往發生在駕駛員疲勞駕駛、操作不當或車輛制動出現故障等情況下,存在嚴重人為車輛原因。在公路設施方面,事故往往發生在連續長大下坡、臨水臨崖、雨雪路滑、山區公路和公路線性指標很低的特殊路段。

      2.既有護欄防護性能的適應性及提升分析

      我國目前新建公路護欄安全性能要求總體已同發達國家一致,部分指標甚至已超過其他國家。對因極小概率發生的事故,根據特殊個案而按最高標準提高全國護欄防護等級的方式,以阻止所有車輛穿越中央分隔帶或越出路外,雖存在理論上的可能,但經濟上難以承受,實施中還可能涉及到行車視距不足、影響景觀、行駛舒適性差等問題,國際上也無此做法。

      從近些年發生的車輛穿越中央分隔帶惡性事故可以看出,事故車輛與護欄發生的最大碰撞能量達到720kJ,對應護欄防護等級為八級,即HA級,遠高于路段設計防護等級四級,即SB級。如果全路段中央分隔帶都采用八(HA)級混凝土護欄,按單價約1500元/延米計算,測算得出全國高速公路的護欄新建費用約3200多億元。

      此外,按最新標準對按照當時標準設計的既有中央分隔帶護欄進行全部改造也存在科學性和可行性問題。2005年底和2017年我國高速公路通車里程分別為4.53萬公里和13.64萬公里。如對已建成的分別執行94版、06版規范的公路護欄按照新標準進行提升改造,根據17版規范護欄設置條件,將護欄提升等級為四(SBm)級,單價按500元/米計(部分護欄可能需要設置三(Am)級或者五(SAm)級及以上,因此計算取中)。則測算的護欄新建費用約1080億元。

      若采用在原護欄基礎上進行改造再利用,約能降低20%~30%的費用。

      3.科學評估,分類施策。

      基于上述原因,對既有護欄防護性能的適應性進行科學評估十分重要,主要針對原標準設計的重大事故多發的橋梁、重型車比例大的長陡下坡等公路路段,根據交通事故嚴重性及其特點、運行條件適應性和大型車比例等情況進行綜合評估后,分期、分類、分批提出改造方案和交通管理建議。

      五、加強中央分隔帶護欄設置

      針對重型車輛穿越中央分隔帶的問題,在加強駕駛員管理和車輛管理的同時,建議對中央分隔帶護欄進行科學評估,因地制宜,分類施策。對平面半徑很小、超標大縱坡、連續長大下坡、雨霧天氣狀況差的山區公路以及交通量大、大客車和重車比例高的路段,逐步按照現行標準采用高防護等級的中央分隔帶護欄,有條件的可采用高防護等級混凝土護欄。

      六、注意事項

     ?。ㄒ唬┎荒苋藶榭浯笞o欄的功能。

      護欄是一種被動防護設施,無法僅通過加強設施來避免或減少交通事故的發生,公路交通安全還必須通過規范駕駛員的駕駛行為等實現,這也是最直接有效的措施。

     ?。ǘ┳o欄具有一定的使用條件。

      護欄設置時,需綜合考慮公路線形、設計速度、運行速度、交通量、車型構成、環境景觀以及經濟承受能力等因素,無法也不可能阻止所有的車輛穿越護欄。偶發的事故不能作為否定護欄作用的原因;事故車輛超過護欄的使用條件,將導致嚴重的后果。

     ?。ㄈ訌娊煌ò踩嚓P知識的傳播。

      有關方面和單位,包括駕駛培訓學校,應對護欄的功能、屬性、使用注意事項等加強宣傳,使廣大駕駛員自覺地按交通法律法規的規定和交通標志、標線的指引,安全駕駛,謹慎行車,才能更好的實現護欄安全保障功能。



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