高速公路路側(cè)護(hù)欄改造設(shè)計(jì)研究綜述

摘要 為使改造后的路側(cè)護(hù)欄的防護(hù)能力滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，通過分析護(hù)欄的功能、分類及其對(duì)道路安全性能的貢獻(xiàn)，對(duì)護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式、改造方法的研究進(jìn)行了綜述?？偨Y(jié)和回顧了護(hù)欄材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及未來研究的發(fā)展趨勢，提出了用實(shí)車碰撞試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬在護(hù)欄設(shè)計(jì)改造中的應(yīng)用，應(yīng)更加關(guān)注護(hù)欄材料參數(shù)的研究、評(píng)價(jià)指標(biāo)的完善以及智能交通系統(tǒng)整合等方面，研究可為設(shè)計(jì)更安全、經(jīng)濟(jì)、美觀且符合綠色發(fā)展理念的新型護(hù)欄提供理論參考。

關(guān)鍵詞 波形梁護(hù)欄；護(hù)欄改造；交通工程；高速公路

中圖分類號(hào) TU528.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）18-0191-04

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的大力發(fā)展，截至2022年底我國公路通車?yán)锍桃淹黄?35萬公里，汽車保有量已經(jīng)達(dá)到了4.17億輛。在我國交通事業(yè)突飛猛進(jìn)的同時(shí)，道路車輛結(jié)構(gòu)和參數(shù)也在發(fā)生極大的變化，車輛安全防護(hù)需求發(fā)生變化。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國每年發(fā)生的交通事故數(shù)已達(dá)到20多萬起，其中在高速公路交通事故中，路側(cè)事故占比較高[1]，且主要發(fā)生在路側(cè)護(hù)欄處。

根據(jù)現(xiàn)行《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013）[2]和《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG D81—2017）[3]的要求，早期建設(shè)的護(hù)欄安全設(shè)施無法滿足當(dāng)今的安全防護(hù)的需求。因此，使原有護(hù)欄的防護(hù)能力得到保障，對(duì)改善公路路側(cè)安全和保障駕駛員及乘客生命安全有著重要意義[4-5]。

1 公路護(hù)欄概述

1.1 護(hù)欄功能與分類

護(hù)欄作為一種交通安全設(shè)施，本質(zhì)上屬于一種縱向吸能結(jié)構(gòu)的障礙物，主要設(shè)置在道路路肩處以及中央分隔帶處，其主要作用是降低事故的傷害程度，最大限度保護(hù)生命財(cái)產(chǎn)安全，減少損失。實(shí)現(xiàn)的方法是通過護(hù)欄碰撞過程產(chǎn)生的變形，以及對(duì)碰撞過程中的動(dòng)能能量的吸收，完成對(duì)車輛的順利導(dǎo)向，護(hù)欄的功能包括：（1）阻隔車輛沖出路外或沖向?qū)ο蜍嚨?，避免二次車禍?zhǔn)鹿拾l(fā)生；（2）車輛與護(hù)欄碰撞時(shí)，吸收碰撞能量，減少對(duì)人員、車輛的傷害；（3）避免車輛在護(hù)欄板下鉆出；（4）指導(dǎo)駕駛員的視線，美化道路。

護(hù)欄一般設(shè)立在依山傍水路、高路堤、急彎等對(duì)駕駛?cè)藛T造成一定危險(xiǎn)的地段。公路護(hù)欄設(shè)計(jì)應(yīng)堅(jiān)持安全第一的準(zhǔn)則，綜合考量公路耐久性、經(jīng)濟(jì)性和景觀等因素，提升公路護(hù)欄設(shè)計(jì)合理性，保證高等級(jí)公路通行安全、順暢，同時(shí)在一定程度上美化公路。對(duì)于護(hù)欄的分類，按照設(shè)置位置、結(jié)構(gòu)性能、使用路段，護(hù)欄有不同的分類[6]，按照設(shè)置位置，護(hù)欄可分為路側(cè)護(hù)欄、中央分隔帶護(hù)欄；按照護(hù)欄的使用路段，可分為路基護(hù)欄、橋梁護(hù)欄；按照結(jié)構(gòu)特性，護(hù)欄分為剛性護(hù)欄、半剛性護(hù)欄、柔性護(hù)欄。每種護(hù)欄都有其不同的受力特性及適用場景。

1.2 路側(cè)波形梁護(hù)欄構(gòu)造型式

波形梁護(hù)欄是半剛性護(hù)欄主要的結(jié)構(gòu)形式，其主要結(jié)構(gòu)部件是立柱、防阻塊、波形梁板，其主要特性是通過護(hù)欄系統(tǒng)間變形來實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛碰撞過程的導(dǎo)向，當(dāng)車輛與護(hù)欄發(fā)生碰撞后，首先與車輛接觸的梁板開始變形，能量然后逐漸傳遞到防阻塊，最后傳遞至立柱，其特點(diǎn)是后期易于養(yǎng)護(hù)、拆除和改造，也具有一定的視線誘導(dǎo)功能，但因其材料特性的原因，波形梁護(hù)欄容易發(fā)生材料腐蝕，從而導(dǎo)致護(hù)欄的防護(hù)能力的下降。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范一般按照設(shè)計(jì)防護(hù)能量將護(hù)欄防護(hù)能力進(jìn)行分級(jí)，目前高速公路路側(cè)波形梁護(hù)欄設(shè)置較為廣泛的有A級(jí)護(hù)欄、SB級(jí)護(hù)欄、SA級(jí)護(hù)欄。

2 路側(cè)護(hù)欄的設(shè)計(jì)和改造綜述

2.1 路側(cè)護(hù)欄的設(shè)計(jì)

國內(nèi)外早期對(duì)于護(hù)欄的設(shè)計(jì)研究主要是通過大量的實(shí)車碰撞試驗(yàn)來積累資料，并通過相關(guān)理論研究，對(duì)相關(guān)的護(hù)欄碰撞的結(jié)構(gòu)形式的受力特性規(guī)律進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出符合道路路側(cè)安全的護(hù)欄結(jié)構(gòu)型式，制作相關(guān)的護(hù)欄設(shè)計(jì)規(guī)范及準(zhǔn)則，提高道路路側(cè)安全，為后來的護(hù)欄研究提供參考和理論基礎(chǔ)。

Malcolm H. Ray等[7]通過實(shí)車和全尺寸試驗(yàn)對(duì)波形梁連接進(jìn)行研究，在立柱與護(hù)欄設(shè)置支撐構(gòu)件來增強(qiáng)波形梁系統(tǒng)防撞性能，這也成為后來波形梁護(hù)欄設(shè)計(jì)的重要結(jié)構(gòu)部分。隨著計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，研究手段也在不斷改進(jìn)，Ali O. Atahan[8]使用LS-DYNA演示了計(jì)算機(jī)模擬如何以經(jīng)濟(jì)高效的方式補(bǔ)充大規(guī)模碰撞試驗(yàn)，研究中使用了之前對(duì)失效的堅(jiān)固立柱護(hù)欄系統(tǒng)進(jìn)行的全尺寸碰撞試驗(yàn)的結(jié)果，結(jié)果表明計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在評(píng)估和改善道路安全特征的沖擊性能方面的能力。Plaxico等[9]通過計(jì)算機(jī)對(duì)車輛碰撞過程中的護(hù)欄進(jìn)行模擬，研究觀察埋置在土壤的立柱受力情況，其研究發(fā)現(xiàn)了立柱最大受力彎矩出現(xiàn)在距離地面350 mm處，這為以后運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬護(hù)欄受力情況提供了很好的參考。Vesenjak等學(xué)者[10]對(duì)波形梁防阻塊進(jìn)行研究，通過計(jì)算機(jī)模擬不同結(jié)構(gòu)形式的護(hù)欄碰撞系統(tǒng)，探討其對(duì)車輛防護(hù)能力的影響規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)六邊形防阻塊結(jié)構(gòu)形式的護(hù)欄系統(tǒng)對(duì)于車輛的緩沖更優(yōu)，吸收能量更多，這也成為后來護(hù)欄防阻塊的重要結(jié)構(gòu)形式。

邰永剛等[11]研究部件的連接設(shè)置對(duì)于護(hù)欄系統(tǒng)防撞性能的影響，通過模擬部件連接的護(hù)欄系統(tǒng)和缺失連接的護(hù)欄系統(tǒng)，對(duì)比分析得出護(hù)欄部件連接與碰撞防護(hù)性能的影響規(guī)律，這成為公路養(yǎng)護(hù)部門的一個(gè)重要參考依據(jù)。肖佑業(yè)[12]針對(duì)波形梁立柱在碰撞時(shí)對(duì)于車輪的絆阻現(xiàn)象進(jìn)行相關(guān)研究，通過對(duì)護(hù)欄結(jié)構(gòu)系統(tǒng)以及對(duì)碰撞過程中護(hù)欄系統(tǒng)的受力狀況進(jìn)行分析，最后指出波形梁護(hù)欄剛度的不足是產(chǎn)生阻絆現(xiàn)象的主要原因。李文勇等人[13]針對(duì)高速公路常設(shè)置的波形梁護(hù)欄進(jìn)行研究，建立廂貨－護(hù)欄碰撞模型，從駕駛員安全性、車輛行駛軌跡以及護(hù)欄損壞程度三個(gè)方面進(jìn)行仿真分析，認(rèn)為W形護(hù)欄無法滿足廂貨碰撞過程的駕駛員安全，建立護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該著重考慮，為之后的設(shè)計(jì)人員提供理論參考。周翔海等[14]人對(duì)立柱的四種埋置方式進(jìn)行承載力研究，通過計(jì)算機(jī)模擬仿真和實(shí)車試驗(yàn)分析，得出當(dāng)立柱抗彎度與折彎點(diǎn)成反比。許穎等[15]運(yùn)用Newmark β理論對(duì)汽車－護(hù)欄碰撞模型計(jì)算進(jìn)行簡化，分析汽車轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)碰撞計(jì)算結(jié)果的影響，通過計(jì)算機(jī)模型仿真證明考慮汽車轉(zhuǎn)動(dòng)的碰撞計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確。

2.2 路側(cè)護(hù)欄的改造

國外對(duì)于護(hù)欄改造設(shè)計(jì)發(fā)展歷程較早，國內(nèi)的護(hù)欄改造的研究的成果也較為豐富。

Reid等[16]對(duì)現(xiàn)有的波形梁進(jìn)行了三種改造方案設(shè)計(jì)，分別為在護(hù)欄立柱上方加鋼纜、在防阻塊里填充緩沖物、在波形梁板后部加鋼纜，經(jīng)過計(jì)算機(jī)仿真模擬，分析表明三種改造方案對(duì)于護(hù)欄防護(hù)能力都有著極大的提高，其中立柱上方加鋼纜效果最佳。Hanfeng Yin等人[17-18]基于計(jì)算機(jī)的數(shù)值模擬，對(duì)波形梁進(jìn)行相應(yīng)的改造研究，設(shè)計(jì)出“η形”和“SWG形”的新型波形梁護(hù)欄，提高了護(hù)欄的防護(hù)性能。Dong W. Lee等人[19]設(shè)計(jì)了圓形、方形、三角形三種改造方案，探究不同立柱結(jié)構(gòu)形式對(duì)護(hù)欄防護(hù)能力的影響，建立了卡車—護(hù)欄有限元模型，模擬結(jié)果表明圓形立柱的防護(hù)能力最好，三角形立柱護(hù)欄的對(duì)車輛的緩沖效果最佳。Ronald K. Faller等[20]結(jié)合本國車輛特點(diǎn)，對(duì)波形梁護(hù)欄提出了新型的改造方案，與傳統(tǒng)護(hù)欄機(jī)構(gòu)相比，該改造方案的立柱間距較少1/4，并增設(shè)了152 mm高混凝土路緣，通過有限元模擬結(jié)果表明該改造護(hù)欄為重心較高的車輛碰撞提供了更高的安全性。Xianglong Sun[21]對(duì)傳統(tǒng)移動(dòng)護(hù)欄進(jìn)行分析，使用力學(xué)分析和有限元模擬技術(shù)來對(duì)活動(dòng)護(hù)欄進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，建立了卡車—護(hù)欄碰撞模型，根據(jù)結(jié)果對(duì)護(hù)欄壁厚和立柱間距進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明當(dāng)護(hù)欄壁厚增加2 mm時(shí)，護(hù)欄的耐撞性明顯提高。

荊迪菲等人[22]提出了內(nèi)套管節(jié)點(diǎn)加高的波形梁改造方案，該改造方案能夠提高B級(jí)舊護(hù)欄防護(hù)能力。蘇曉東[23]提出了在混凝土護(hù)欄上進(jìn)行整體加高的三種設(shè)計(jì)方案，并利用有限元仿真進(jìn)行了護(hù)欄安全性能驗(yàn)證。除了舊護(hù)欄改造提升防護(hù)能力外的研究，還有通過改造護(hù)欄，提升護(hù)欄防護(hù)等級(jí)的研究，劉航[24]通過對(duì)原有舊護(hù)欄的改造設(shè)計(jì)，將波形梁護(hù)欄進(jìn)行加高和雙波改造，實(shí)現(xiàn)了舊護(hù)欄防護(hù)能力向更高等級(jí)的提升。楊濟(jì)匡等人[25]基于規(guī)范中的A級(jí)和B級(jí)護(hù)欄進(jìn)行仿真模擬建模，發(fā)現(xiàn)護(hù)欄碰撞吸收能量占總能量不到1/2，護(hù)欄最大變形量較大，通過對(duì)這兩種護(hù)欄改造設(shè)計(jì)，使得護(hù)欄碰撞吸收能量得到顯著提高。王維利等[26]通過計(jì)算機(jī)模擬仿真，建立了5種高度的護(hù)欄碰撞耦合模型，分析表明當(dāng)護(hù)欄設(shè)置高度低于標(biāo)準(zhǔn)護(hù)欄高度150 mm時(shí)，汽車碰撞會(huì)發(fā)生側(cè)翻，需要進(jìn)行加高設(shè)計(jì)。閆書明等人[27]通過實(shí)車試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬仿真相結(jié)合的方法，探討了護(hù)欄高度和結(jié)構(gòu)變化與護(hù)欄防護(hù)能力的影響規(guī)律。田遠(yuǎn)[28]提出在立柱中加入鋼筋的結(jié)構(gòu)改造方案，并進(jìn)行了重錘沖擊試驗(yàn)，表明了改造護(hù)欄強(qiáng)度高于規(guī)范護(hù)欄強(qiáng)度。

除了一些護(hù)欄結(jié)構(gòu)本身的研究，國內(nèi)還有一些對(duì)于新型組合設(shè)計(jì)的研究。賈寧等人[29]利用鋼管構(gòu)件變形吸能的原理，在混凝土護(hù)欄加入吸能鋼管，設(shè)計(jì)出新型組合護(hù)欄，使護(hù)欄達(dá)到消能和減速的效果。周煒等人[30]通過實(shí)車碰撞試驗(yàn)研發(fā)了一種新型的半剛性鋼架緩沖球護(hù)欄，該新型護(hù)欄滿足規(guī)范設(shè)計(jì)的防護(hù)性能要求，最后并于傳統(tǒng)半剛性護(hù)欄進(jìn)行對(duì)比分析，分別闡述了兩種護(hù)欄防護(hù)性能的優(yōu)缺點(diǎn)。雷正保等人[31]在分析PVC和Q235的力學(xué)性能后，設(shè)計(jì)出新型PVC護(hù)欄，結(jié)果表明該新型護(hù)欄能夠達(dá)到A級(jí)防護(hù)能力。肖佑業(yè)[32]設(shè)計(jì)出了新型的倒“L形”護(hù)欄系統(tǒng)，該護(hù)欄經(jīng)過模擬仿真表明，與傳統(tǒng)的護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式相比，該護(hù)欄能夠很好地解決車輛碰撞過程中的絆阻問題。楊永奇等[33]將泡沫鋁材料應(yīng)用到護(hù)欄防阻塊中，設(shè)計(jì)出新型泡沫鋁防阻塊防撞護(hù)欄，經(jīng)過實(shí)車試驗(yàn)表明該新型護(hù)欄在車輛緩沖方面優(yōu)于傳統(tǒng)護(hù)欄。

3 發(fā)展趨勢

隨著道路的快速發(fā)展，道路安全設(shè)施的安全研究逐漸增多，研究方法也在不斷完善。從波形梁護(hù)欄設(shè)計(jì)研究來看，最開始的實(shí)車碰撞試驗(yàn)完善了相應(yīng)的護(hù)欄規(guī)范準(zhǔn)則，是工程實(shí)踐中路側(cè)護(hù)欄建設(shè)的重要依據(jù)。從波形梁護(hù)欄改造研究來看，計(jì)算機(jī)仿真研究已經(jīng)成為護(hù)欄安全性能研究的重要研究方法，波形梁護(hù)欄改造方式主要是優(yōu)化護(hù)欄結(jié)構(gòu)尺寸、增加護(hù)欄結(jié)構(gòu)厚度、增設(shè)立柱及梁板、采用新型結(jié)構(gòu)材料等方法，且已經(jīng)在工程實(shí)踐中取得很好的效果，但從日益變化的發(fā)展建設(shè)環(huán)境來看，護(hù)欄改造及新型護(hù)欄設(shè)計(jì)研究要求也有了新的變化，后續(xù)的研究需要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究。

（1）護(hù)欄材料參數(shù)的研究，在護(hù)欄改造設(shè)計(jì)研究中，護(hù)欄結(jié)構(gòu)材料是一個(gè)容易忽略的參數(shù)，但其實(shí)在目前實(shí)際工程應(yīng)用中，安全設(shè)施建設(shè)需要符合綠色發(fā)展理念，新型環(huán)保材料或者新型組合設(shè)計(jì)方案是一個(gè)研究重點(diǎn)，應(yīng)該著重研究。

（2）護(hù)欄方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究，目前有關(guān)護(hù)欄安全方案安全評(píng)價(jià)主要是以防護(hù)能力為主來進(jìn)行評(píng)價(jià)，即從護(hù)欄評(píng)價(jià)規(guī)范中規(guī)定的阻擋功能、緩沖功能和導(dǎo)向功能三方面進(jìn)行對(duì)比分析，但缺少護(hù)欄碰撞過程中各部件的能量吸收值、護(hù)欄碰撞的應(yīng)力應(yīng)變、碰撞力等指標(biāo)，這些指標(biāo)在實(shí)車試驗(yàn)中不能很好地體現(xiàn)出來，需要對(duì)指標(biāo)進(jìn)行額外的安全性分析。

4 總結(jié)

該文從公路護(hù)欄的功能與分類出發(fā)，詳細(xì)論述了路側(cè)護(hù)欄在保障駕駛員及乘客安全方面扮演的關(guān)鍵角色，通過對(duì)波形梁護(hù)欄構(gòu)造、設(shè)計(jì)與改造的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀出發(fā)，總結(jié)出如下三點(diǎn)：

（1）護(hù)欄設(shè)計(jì)與改造的重要性：波形梁護(hù)欄有吸收碰撞能量、減少事故傷害方面的功能，合理地設(shè)計(jì)和改造護(hù)欄對(duì)于提升道路安全性有重要作用。隨著道路交通環(huán)境的變化和車輛結(jié)構(gòu)的演進(jìn)，護(hù)欄性能的要求在提高，也強(qiáng)調(diào)了持續(xù)改進(jìn)護(hù)欄設(shè)計(jì)的必要性。

（2）研究與技術(shù)進(jìn)步的貢獻(xiàn)：護(hù)欄從實(shí)車碰撞試驗(yàn)到計(jì)算機(jī)模擬的研究，展示了科技進(jìn)步促進(jìn)護(hù)欄設(shè)計(jì)與改造方法的革新。通過對(duì)國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于護(hù)欄改造的多種設(shè)計(jì)方案的研究，證明了科學(xué)技術(shù)在推動(dòng)護(hù)欄防護(hù)能力提升方面的重要作用。

（3）未來研究的方向：面對(duì)未來道路安全設(shè)施的研究與發(fā)展，建議多關(guān)注護(hù)欄材料參數(shù)的深入研究和護(hù)欄方案評(píng)價(jià)指標(biāo)的完善。隨著智能交通系統(tǒng)的發(fā)展，將智能元素整合到護(hù)欄設(shè)計(jì)中，如傳感器和警示系統(tǒng)，將是提高預(yù)警和防護(hù)能力的關(guān)鍵方向。同時(shí)，探索符合綠色發(fā)展理念的新型環(huán)保材料或組合設(shè)計(jì)方案，以設(shè)計(jì)出更加安全、經(jīng)濟(jì)、美觀的新型護(hù)欄，是未來研究的重要內(nèi)容。

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