公路護欄設計要點分析

梁學虎

（寧夏公路勘察設計院有限責任公司，寧夏銀川 750000）

1 護欄的形式和分級

1.1 護欄的形式

護欄可分為以下三種形式：

第一，剛性護欄：車輛碰撞后基本不變形的護欄?；炷磷o欄是剛性護欄的主要代表形式。該護欄是一種剛性結(jié)構(gòu)，其完全依靠車輪與護欄面接觸并沿護欄面爬高、轉(zhuǎn)向、摩擦等吸收碰撞能量。剛性護欄防撞等級較高，適合于橋梁護欄。但當失控車輛的碰撞角度較大時，對人、車的損害均很大。

第二，半剛性護欄：車輛碰撞后有一定的變形，同時又具有一定強度和剛度的護欄。波形梁護欄是半剛性護欄的主要代表形式。該護欄是一種半剛性的結(jié)構(gòu)，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，對中、小型車輛防撞效果較好。

第三，柔性護欄：具有較大緩沖能力的韌性護欄結(jié)構(gòu)。纜索護欄是柔性護欄的主要代表形式。該護欄是一種柔性結(jié)構(gòu)，車輛碰撞時依靠纜索拉應力來吸收碰撞能量，碰撞后對車輛的損壞較小。

三種類型護欄主要指標差異如下：

從施工難易程度來看，混凝土護欄需要更長的施工周期，受氣溫的影響較大；波形梁護欄施工周期短，基本不受氣溫影響；纜索護欄需要專用設備，張拉時對溫度有一定要求。

從使用性能及養(yǎng)護成本來看，車輛碰撞后，混凝土護欄對人車的損害較大，波形梁護欄一般，纜索護欄最佳?；炷磷o欄幾乎不需要養(yǎng)護，波形梁護欄損壞后可更換，纜索護欄損壞后維修費用較高。

從景觀及與路線周邊環(huán)境協(xié)調(diào)性來看，混凝土會給駕駛?cè)藟浩雀校c周邊環(huán)境協(xié)調(diào)性差；波形梁護欄顏色可選擇性強，能很好地與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)，誘導效果較好；纜索護欄缺點較多，加之施工較為麻煩，需要特殊的張拉設備，一般高速公路較少采用。但是纜索護欄在一些旅游公路中有所使用。此外，高原積雪地帶，纜索護欄對路面除雪工作非常有利。

綜合來看，混凝土墻式護欄投資較大，工期長，野外施工困難較多。但其養(yǎng)護成本低，甚至不用養(yǎng)護，目前應用較為廣泛。尤其對于橋上、高擋墻等危險路段最為適用。波形梁護欄施工及后續(xù)基礎維護方便，造價也比較合理，目前公路上應用最多，遇到橋梁、高風險路段時，混凝土護欄的優(yōu)勢較為突出。纜索護欄應用較少，在旅游公路、低等級公路中有所應用。

1.2 護欄的分級

按照設計防護能量，公路護欄的護欄標準段、護欄過渡段和中央分隔帶開口護欄的防護等級可分為八級，代碼及對應設計防護能量分別為：C（40kJ）、B（70kJ）、A（160kJ）、SB（280kJ）、SA（400kJ）、SS（520kJ）、HB（640kJ）、HA（760kJ）。

按照設計防護速度對防撞端頭和防撞墊的安全性能可分為三級，代碼及對應設計防護速度分別為TB（60km/h）、TA（80km/h）、TS（100km/h）。

2 護欄的基本設計原則

2.1 凈區(qū)的定義

公路安全護欄設計離不開對凈區(qū)概念的準確理解和把握。凈區(qū)的定義為：公路車行道以外，無障礙物且車輛駛出車行道后可以停車或駛回公路的帶狀區(qū)域。無論是路側(cè)還是中央分隔帶，在實際凈區(qū)寬度無法滿足計算凈區(qū)寬度時，都應按照護欄的設置原則進行安全處理。

2.2 總體設計原則

護欄也是障礙物，因此公路護欄設計應遵循以人為本、預防為主、系統(tǒng)設計、重點突出的設計理念。

在是否設置護欄、護欄等級及形式的選擇上，美國、澳大利亞等國家廣泛采用成本效益分析法進行設計，護欄設計方案的目的是實現(xiàn)“有限的資金獲得最大的收益”，其中成本為護欄建設和養(yǎng)護成本，效益為減少的事故損失。

在我國，護欄設計還處于研究階段，主要通過定量分析判斷來指導護欄設計。公路護欄設計時應考慮設計交通量、設計速度、公路等級及功能、車型比例、路段平縱線形條件等相關數(shù)據(jù)[1]，通過綜合評估風險等級，風險模型建立如下：

第一，風險=事故概率×事故嚴重程度×交通量

第二，事故概率與平曲線、縱坡、貨車比例、速度及速度差相關。

第三，事故嚴重程度與駛出的危險程度、速度、碰撞角度、二次碰撞相關。

通過對公路等級、填土高度、平縱線形、障礙物的綜合考慮，在確定需設置護欄的前提下，選定合適防護等級的護欄。

公路護欄主要有防撞、導向、隔離三種功能，在交通安全設施設計內(nèi)容中，護欄主要發(fā)揮其防撞功能。在實際凈區(qū)寬度不能滿足計算凈區(qū)寬度或者在計算凈區(qū)寬度內(nèi)，路側(cè)或者中央分隔帶存在障礙物時，一般情況下要考慮進行安全處置。同時需考慮設置護欄造成的危害應小于被保護的危險物所造成的危害。

在設計過程中，障礙物一般分為兩大類，一類為路外設施，如高壓線、溝渠、水域、道路、鐵路、房屋等既有設施。另外一類為路內(nèi)設施，如聲屏障、照明燈、攝像設備、交通標志、上跨橋的橋墩橋臺、隧道入口處的檢修道、無蓋板邊溝等其他設施。

3 公路護欄設計要點

半剛性護欄（波形梁護欄）是應用較為廣泛的一種安全護欄，為了進一步提升公路行車安全保障能力，應從問題導向出發(fā)，針對事故成因及護欄設計所暴露的問題進行重點分析，有效降低交通事故發(fā)生率及事故傷亡率[2]。結(jié)合相關項目實踐，對公路護欄的精細化設計要點進行分析總結(jié)。

3.1 護欄結(jié)構(gòu)的改進

隨著交通運輸發(fā)展過程中對公路養(yǎng)護的逐漸重視，養(yǎng)護技術的經(jīng)濟性成為設計時難以忽視的要素。因此在設計過程中，應考慮公路建成后運營養(yǎng)護時，更換護欄或提升護欄等級時的經(jīng)濟因素。高速公路及一二級公路采用波形梁護欄等級最多的是A、SB、SA、SS 級。但是在相關規(guī)范給出的護欄構(gòu)造圖中，只有A 級護欄結(jié)構(gòu)考慮到公路建成后，養(yǎng)護時路面標高的提高。A 級護欄可通過預留5mm×40mm 螺栓孔抬高護欄板，以避免在公路養(yǎng)護時發(fā)生大量拆除、新建護欄的情況，其能夠保證護欄功能的持續(xù)發(fā)揮，因此具有良好的經(jīng)濟效益，同時還能夠持續(xù)保障行車安全。

在國道109 項目的設計過程中，考慮到項目路側(cè)、中分帶護欄90%為SB 級，通過對SB 級護欄結(jié)構(gòu)中的防阻塊、立柱高度、螺栓孔距進行優(yōu)化及預留3×40mm 螺栓孔設計，充分提升了該項目路段運營養(yǎng)護的經(jīng)濟效益。此外，針對SB 級護欄結(jié)構(gòu)的改進方式完全可以應用到SA、SS 級護欄的設計中。

通過對瀝青路面養(yǎng)護工程的相關了解，公路養(yǎng)護一般情況下加鋪30～40mm，但是各等級護欄給出的預留孔為40mm，為滿足路面加鋪30mm 的養(yǎng)護需求，在設計中可以將預留圓形螺栓孔調(diào)整為長條形螺栓孔。在養(yǎng)護工程設計時，可以根據(jù)路面抬高高度確定螺栓的界面尺寸，進而對螺栓進行重新設計更換。

3.2 路側(cè)護欄立柱的有效埋深

除了護欄結(jié)構(gòu)本身，護欄防撞高度、立柱埋置深度、立柱覆土厚度是保證其防撞功能有效發(fā)揮的重要因素。護欄結(jié)構(gòu)不應侵入道路建筑限界，護欄立柱的埋深一般情況下應按照護欄立柱與土路肩的接觸面進行計算。但實際上，受路肩形式、位置、橫坡及路肩標高的控制精度的影響，護欄立柱的實際埋深往往達不到規(guī)范要求。

針對上述問題，路側(cè)護欄立柱埋置深度應重新定義為從硬路肩與土路肩交界處的路面標高起算，并應在設計基礎上增加不少于10cm 的立柱埋深長度。這樣完全可以保證護欄立柱的有效埋深滿足實際要求，同時在護欄施工驗收環(huán)節(jié)也不會出現(xiàn)護欄埋深不夠的情況。

在臺睢高速公路安全護欄設計中，由于主體工程將攔水帶設置在土路肩最外側(cè)，并將75cm 土路肩作為路面水集中排水槽。吸取了同類受橫坡影響的項目中出現(xiàn)立柱埋深不夠的經(jīng)驗，該項目采用了護欄長度在立柱加工長度基礎上增加10cm 的方法，同時安裝后立柱長度按不小于設計長度進行驗收。

3.3 護欄變形值VIn、W 的現(xiàn)實考慮

在受到車輛碰撞后，剛性護欄會發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，半剛性及柔性護欄會發(fā)生位移變形。為此引入了最大動態(tài)位移外延值（W）或大中型車輛的最大動態(tài)外傾當量值（VIn）作為護欄結(jié)構(gòu)形式選擇的控制性指標。其原理是車輛碰撞護欄后，加之護欄變形后，無論是變形還是外傾均不應再碰撞到障礙物，以此確保護欄能夠通過變形抵消碰撞能量，進而對車輛及駕駛員與高危險障礙物實現(xiàn)雙向保護。設計過程中，應在不同防護需求下，選取不同的變形控制指標，以此確定護欄結(jié)構(gòu)形式的選取。因混凝土護欄為剛性結(jié)構(gòu)，可以認為其動態(tài)延展基本為零，只存在VIn值，而波形梁護欄為半剛性，因此同時存在W 值和VIn值。

在公路護欄設計中，通常考慮年平均日交通量中大型貨車和載客數(shù)量較多的客車車輛自然數(shù)所占比例。比例較高時，一旦發(fā)生交通事故，會造成較嚴重的經(jīng)濟損失和人員傷亡，因此宜考慮最大動態(tài)外傾當量值（VIn）的要求。規(guī)范用詞為“宜”，也說明了在選取變形控制指標時需要謹慎思考，如果單一按照交通量組成來確定變形控制指標，可能存在過度防護或防護不足的情況。所以在設計過程中，在定性判斷的基礎上需要不斷量化指標，以便更加準確地指導設計。

兩種變形控制指標的選取，分為只考慮W 值、只考慮VIn值以及同時考慮W 值和VIn值三種情況。在設計過程中可以引入價值工程的相關理論，定性判斷交通事故可能發(fā)生的概率和發(fā)生的嚴重程度來選取變形控制指標。

在正常條件下，只考慮W 值的理想狀態(tài)是：護欄等級符合防護需求，障礙物的位置距離迎撞面可以滿足W 值，從而不需要提高等級或改變護欄結(jié)構(gòu)。但是在項目實踐中，當障礙物（高壓線、公路鐵路橋墩、機電設施等）屬于高危風險時且距離達不到要求時，即使交通量占比達不到20%，也應考慮VIn值。這種情況一般是障礙物無法移動，采用混凝土護欄進行防護，因此W 值為零，只考慮VIn值。

在銀昆高速設計過程中，因大車所占比例高，設計護欄時同時考慮了W 值和VIn值。針對路側(cè)大型標志結(jié)構(gòu)、ETC 門架、可變信息情報板障礙物時，提高了波形梁護欄的防護等級，使其滿足W 值，并通過對這些結(jié)構(gòu)的基礎進行外移設計，使其滿足VIn值，以便在最大限度上滿足護欄設計的經(jīng)濟性。

3.4 專業(yè)設計界面劃分要點

公路護欄設計出現(xiàn)的一些問題，大多是與其他專業(yè)設計界面劃分不清或溝通不到位引起的，可能出現(xiàn)的問題如下：

3.4.1 橋梁專業(yè)

第一，橋梁防撞護欄與路基護欄過渡段翼墻設計中，可能出現(xiàn)漏項的情況。

第二，涵洞、通道等預埋件與護欄結(jié)構(gòu)基礎形式不統(tǒng)一，無法安裝。

第三，橋梁防落物體網(wǎng)設計可能出現(xiàn)漏項的情況。

3.4.2 道路專業(yè)

第一，擋土墻上的護欄防護形式及工程設計會出現(xiàn)無法實施或漏項的情況。

第二，中央分隔帶開口處的護欄可能出現(xiàn)漏項的情況。

3.4.3 機電環(huán)保專業(yè)

第一，電井的尺寸和位置會影響護欄立柱的實施，如不提前溝通，可能出現(xiàn)護欄無法實施的情況。

第二，聲屏障的位置影響護欄的安裝位置，可能導致聲屏障或護欄無法實施的情況。

4 公路護欄設計展望

隨著公路智能化建設的推進，車路協(xié)同技術不斷突破，從公路護欄的功能角度思考，公路護欄設計應趨向智能化、定量化、精準化。目前護欄的功能主要有防護、誘導、隔離，是一種被動的防護方式。隨著護欄的智能化發(fā)展，護欄應實現(xiàn)對交通事故的提前感知、主動預警、事后報警等智能化功能，同時可結(jié)合光、聲等手段，突出護欄的誘導、隔離功能。此外，隨著大數(shù)據(jù)技術的應用，在以人為本的前提下，可以引入價值工程護欄設計模型，以實現(xiàn)公路護欄設計的定量化、精準化[3]。

5 結(jié)語

綜上所述，在交通發(fā)展建設進程中，交通安全不容忽視。安全護欄作為交通安全工作中的重要組成部分，在安全設施中有重要地位。隨著我國公路車流量的快速增長，護欄設計面臨著更多的創(chuàng)新與挑戰(zhàn)，因此更應合理、有效、精準、安全地進行護欄設計，以便提高交通安全、保障通行能力、減少交通事故、節(jié)約工程成本。未來應不斷鉆研并提高護欄設計水平，通過精細化的公路護欄設計，確保公路交通運行安全、高效。