高速公路車輛碰撞能量與護(hù)欄等級(jí)的研究

柳 佳

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110166)

高速公路的安全設(shè)計(jì)是一個(gè)多學(xué)科交織的、綜合性強(qiáng)的、復(fù)雜的系統(tǒng)工程，路線、路基、路面、橋涵、隧道、景觀、智能交通、安全設(shè)施等專業(yè)所有涵蓋公路設(shè)計(jì)的公路人一致致力于提高高速公路的安全性和舒適性，多年來(lái)形成了主動(dòng)引導(dǎo)優(yōu)先的理念，護(hù)欄作為被動(dòng)防護(hù)的最后一道屏障，在保障駕駛?cè)思俺丝偷纳踩矫嫫鸬脚e足輕重的作用。

1 車輛碰撞能量的分析與計(jì)算

護(hù)欄作為一種帶狀吸能結(jié)構(gòu)，設(shè)置在高速公路中央分隔帶和路側(cè)，起到阻擋車輛沖出道路、導(dǎo)向車輛恢復(fù)至正常軌跡、吸能緩沖、降低對(duì)駕駛?cè)思俺丝偷膫Φ淖饔?。在《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01-2013)中，護(hù)欄防護(hù)等級(jí)分為八級(jí)，每一等級(jí)對(duì)應(yīng)特定的防護(hù)能量，高速公路如何選取護(hù)欄等級(jí)是至關(guān)重要的。每一等級(jí)護(hù)欄對(duì)應(yīng)的碰撞能量，即為該護(hù)欄能夠起到阻擋、導(dǎo)向、緩沖作用所能承受的車輛碰撞能量，護(hù)欄等級(jí)越高，自然所能承受的能量越強(qiáng)，但護(hù)欄的設(shè)置要考慮工程經(jīng)濟(jì)因素，不能一味做高，如何適度防護(hù)顯得尤為重要?？紤]到投資造價(jià)、事故概率等因素，護(hù)欄的設(shè)置要確保至少85%～90%的車輛不會(huì)沖出路外，主流觀點(diǎn)認(rèn)為選取85%位車輛碰撞能量作為選取護(hù)欄的依據(jù)較為恰當(dāng)。

根據(jù)研究和經(jīng)驗(yàn)，高速公路的車型構(gòu)成、車型比例、運(yùn)行時(shí)速、碰撞角度影響著車輛碰撞能量的統(tǒng)計(jì)與計(jì)算。

(1)

式(1)中，E(kJ)為車輛的碰撞能量(垂直于行車方向)，m(kg)為車輛的車體總質(zhì)量，v(m/s)為車輛的碰撞速度，θ(°)為車輛的碰撞角度。

(1)車型構(gòu)成的分析

高速公路的車型構(gòu)成與比例可以從特征年交通量獲得。特征年交通量與社會(huì)經(jīng)濟(jì)與交通運(yùn)輸密切相關(guān)，通過(guò)對(duì)交通量OD數(shù)據(jù)的調(diào)查、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的預(yù)測(cè)等最終形成特征年交通量。如A高速公路車型組成見表1。車型比例預(yù)測(cè)見表2。

表1 A高速公路車型分類表

表2 A高速公路車型比例預(yù)測(cè)

從上述表格中可以看出，該高速公路小型車占比約50%，中型車占比約15%，大型車占比約35%，《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D81-2017)規(guī)定高速公路護(hù)欄等級(jí)起設(shè)為A級(jí)，可以初步判定，鑒于該高速公路大型車占比較高，A級(jí)護(hù)欄應(yīng)該已經(jīng)無(wú)法滿足基本防護(hù)需求。

(2)碰撞速度的統(tǒng)計(jì)

高速公路運(yùn)行速度的高低取決于路線條件，根據(jù)《公路項(xiàng)目安全性評(píng)價(jià)規(guī)范》(JTG B05-2015)提供的運(yùn)行速度運(yùn)算模型，運(yùn)行速度由平直路段長(zhǎng)度、曲線半徑、縱斷坡度、隧道單元、互通立交單元等共同決定。在路線條件較好的路段，運(yùn)行速度往往超過(guò)設(shè)計(jì)速度，各類車型的運(yùn)行速度在選取范圍時(shí)，綜合考慮了高速公路最低限制速度和相鄰路段速度差不超過(guò)20km/h的最高行駛速度，而碰撞速度一般取值為運(yùn)行速度的80%，根據(jù)計(jì)算，A高速公路各車型碰撞速度區(qū)間見表3。

表3 A高速公路碰撞速度區(qū)間

(3)碰撞角度的選取

碰撞角度為車輛駛出方向與道路中線的夾角，與交通量、所屬車型、行車速度、所在道路位置有關(guān)，一般主要依據(jù)調(diào)研歷史交通事故車輛駛出角度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。碰撞角度越大，產(chǎn)生的碰撞能量越大，根據(jù)《ROADSIDE DESIGN GUIDE》(4thEdition 2011)的調(diào)查結(jié)論，小型客車、小型貨車的車輛駛出角度一般為[5°,25°]，其他類型車輛駛出角度一般為[5°,20°]。

(4)碰撞能量的計(jì)算

按照以上各類車型的碰撞速度、碰撞角度，可以綜合得出表4。

表4 各類車型碰撞參數(shù)取值范圍

通過(guò)式(1)計(jì)算各類車型碰撞能量區(qū)間，累加、統(tǒng)計(jì)百分比，結(jié)合散狀點(diǎn)分布擬合多項(xiàng)式趨近線，可以預(yù)測(cè)出A高速公路在2020年的車輛碰撞能量累計(jì)百分比如圖1所示。

2 關(guān)于護(hù)欄等級(jí)的選取

從車輛碰撞能量累計(jì)百分比圖中獲得，85%位碰撞能量為264kJ，根據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01-2013)的數(shù)據(jù)，A級(jí)護(hù)欄防護(hù)能量為160kJ，不足以滿足85%車輛的碰撞能量，SB級(jí)護(hù)欄防護(hù)能量為280kJ，符合車輛85%位碰撞能量的需求，所以A高速公路的護(hù)欄基本起設(shè)等級(jí)為SB級(jí)。當(dāng)可能發(fā)生的事故嚴(yán)重程度更高時(shí)，如跨越其他高等級(jí)公路、路側(cè)為高填方等，為保障100%的車輛萬(wàn)無(wú)一失時(shí)，特殊路段考慮設(shè)置SS級(jí)(520kJ)護(hù)欄。

隨著高速公路的建成，交通量逐年攀升，車型比例逐年變化，碰撞能量百分比的累計(jì)也會(huì)隨之變化?！陡咚俟方煌üこ碳把鼐€設(shè)施設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D80-2006)規(guī)定鋼護(hù)欄的使用年限為15年，混凝土護(hù)欄的使用年限為20年，護(hù)欄作為相對(duì)固定的設(shè)施，在其有效的使用年限中，設(shè)計(jì)階段要適當(dāng)考慮未來(lái)交通比重的影響，以此來(lái)考慮護(hù)欄等級(jí)是否滿足未來(lái)需求而十分必要，依照上述統(tǒng)計(jì)方法，計(jì)算出A高速公路未來(lái)特征年的碰撞能量累計(jì)百分比如圖2～圖5。

根據(jù)以上4個(gè)碰撞能量趨勢(shì)圖可以得出，2026年、2031年、2036年、2039年分別對(duì)應(yīng)的85%位碰撞能量是267kJ、270kJ、275kJ、279kJ,均滿足SB級(jí)護(hù)欄的防護(hù)能量，究其原因是所預(yù)測(cè)的未來(lái)大型車輛交通比重增長(zhǎng)的不多，由此可知，在護(hù)欄的有效使用年限期間內(nèi)確定SB級(jí)為最恰當(dāng)?shù)淖o(hù)欄起設(shè)等級(jí)。

3 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)影響車輛碰撞能量的車型構(gòu)成、碰撞速度、碰撞角度進(jìn)行分析研究，得到各類車型的碰撞能量，將車型構(gòu)成的比例與碰撞能量進(jìn)行逐點(diǎn)標(biāo)注，得出碰撞能量的累計(jì)百分比趨勢(shì)線，進(jìn)而得到85%位碰撞能量，以此判斷高速公路的護(hù)欄最低起設(shè)等級(jí)。此方法適用于新建高速公路的護(hù)欄等級(jí)的選取，針對(duì)已通車高速公路也可以參考，通過(guò)樣本觀測(cè)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的前期統(tǒng)計(jì)。隨著2017版規(guī)范的實(shí)施，護(hù)欄的防護(hù)能力進(jìn)一步提高，廣大設(shè)計(jì)人員對(duì)于護(hù)欄起設(shè)等級(jí)的選取可以參照本文提供的方法進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)建議，在考慮起設(shè)等級(jí)的基礎(chǔ)上，需要根據(jù)駛出道路可能發(fā)生交通事故的概率及嚴(yán)重程度，針對(duì)重點(diǎn)路段進(jìn)行90%位碰撞能量的選取，甚至為保障100%的車輛不沖出路外，適當(dāng)采用具備更高防護(hù)能量的護(hù)欄等級(jí)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)理念也符合國(guó)家發(fā)展，《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》中要求“完善交通基礎(chǔ)設(shè)施安全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，持續(xù)加大基礎(chǔ)設(shè)施安全防護(hù)投入，提升關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施安全防護(hù)能力”，護(hù)欄設(shè)計(jì)將更加精細(xì)、寬容，繼續(xù)為交通強(qiáng)國(guó)的建設(shè)添磚加瓦。