对我国高速公路桥梁新型护栏的探索

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[摘要] 随着高速公路的快速发展，行车安全的保障问题日显突出，该文介绍了如何从改进高速公路护栏结构入手，在国内率先开展新型护栏的研究及开发的简况。

[关键词] 交通工程 桥梁技术 护栏形式 研究开发

至2007年底，全国公路通车总里程为357.3万公里，其中高速公路5.36万公里，有21个省区市高速公路里程超过1000公里。地处海峡西岸的福建省也形成了通达所有设区市的高速公路“一纵两横”主干网，通车里程达1365公里。随着国民经济的不断增长，我国公路建设无疑也要持续向前推进。

随着我国高速公路建设的快速发展，高速公路建设开始向山岭重丘区延伸，修建了很多的弯、坡、斜桥和高墩、长大桥梁，行车安全面临着严峻的形势，而且随着“路好、车多、速度快”，行车恶性事故呈上升趋势。

桥梁护栏是保证行车安全不可或缺的重要设施，其作用是防止失控车辆冲出桥面坠落桥下，使车辆恢复到正常行进方向，进而保护司乘人员的安全和避免二次事故造成的损失，同时还可以诱导视线使司乘人员获得安全感。

但是我国现行高速公路桥梁护栏标准，基本上是参照国外标准制订的，已不尽适应我国变化了的交通条件和安全标准的客观要求。因此，根据我国国情、借鉴国外的先进经验，开展桥梁护栏的研究工作，尽快开发新型桥梁护栏结构，以提高公路桥梁护栏设置的科学性和有效性，保证行车安全，减少事故损失，对满足我国高速公路建设和交通运输发展的客观需要，并使我国在桥梁安全设施领域的技术水平走向世界前列，都是十分必要的，也是十分迫切的。基于上述原因，福建省交通部门联合北京交通工程科研单位共同对高速公路桥梁护栏的结构进行探索并开展研究开发工作。

1 研究目标

针对福建省高速公路桥梁的结构特征和我国高速公路的交通条件，实验开发出满足安全评价标准要求的一种高速公路桥梁护栏新型结构。

2 技术路线

2.1对国内外现有桥梁护栏进行调查研究并对新拟护栏提出碰撞实验条件和评价标准的有关数据

首先对我国20余条约4000公里的高速公路展开了调查，取得了大量的资料。通过对调查资料的统计分析，得到了以下主要结论：

（1）目前我国高速公路上的小客车已经占据混合交通量的一半以上。若考虑到载客人数，则大、中、小型车所占比例大致相等。

（2）高速公路各车型中，小客车车速最高，85%位车速为134km/h；大客车次之，85%位车速为101km/h；大型货车最低，85%位车速为76km/h。

（3）碰撞角度在15°以下（含15°）的事故车辆占事故车辆总数的57.2%；碰撞角度在20°以下（含20°）的事故车辆占事故车辆总数的82.3%。

（4）桥梁路段和其所在公路的碰撞角度、运行车速等交通条件基本一致。

在对近4000公里高速公路交通条件与碰撞事故调研基础上，并参照国外相关标准规范资料，提出了“高速公路桥梁护栏碰撞实验条件和评价标准”的意见，交通部公路司于2000年9月召开专家研讨会，并下发会议纪要，确定了碰撞实验条件与评价标准：

（1）车辆不得穿越护栏；

（2）车辆一般不驶出相邻于护栏的车道；

（3）桥面系不受到结构性破坏；

（4）乘员在系安全带的情况下，综合加速度不大于15g。

经过对美国、日本相关规范的深入研究，并结合本项目12辆车碰撞实验取得的数据，综合分析后，建议将乘员风险标准改为：纵向加速度（10ms间隔平均值的最大值）不大于20g。

2.2选定桥梁护栏新结构方案并进行参数优化

2.2.1护栏结构方案的选定

目前，桥梁护栏的主要类型有钢护栏和混凝土护栏。其中钢护栏的特点是造型美观，视线诱导效果好，但是造价高，养护费用高；混凝土护栏的特点是防护能力强，造价与养护费用低，但外观相对较差。考虑到目前我国的经济条件和桥梁护栏的防护要求，首选混凝土护栏的形式是合理的。

目前国内广泛采用的混凝土护栏形式主要有NJ型护栏和组合式护栏两种。NJ型护栏的优点是在一定的车速、车重、车体重心高度的情况下，具有良好的防护效果。但此种形式护栏存在两大问题。一是在一定的碰撞条件下，失控车辆会爬上、越过或外倾翻过护栏，二是当车速较高、车体重心较低时，失控车辆会在护栏内侧翻车。组合式护栏混凝土底座的坡面形式与NJ型相同，不同的是在护栏顶部加上了钢管横梁，同时其整体高度增加，但当车辆要越出或向外翻出护栏时，上部的钢管横梁往往遭到损坏，不能满足防护要求，且养护费用大。

然而，通过大量的资料调研分析和数值模拟结果发现，NJ型护栏结构下部的坡面形式对于缓冲车辆的碰撞能量和引导车辆行驶方向是一种最优形式，因此，护栏方案以NJ型护栏为基础，保持其下部坡面形式，对上部进行改进。为防止车辆外翻和越出、防止车辆内侧翻，采用加高护栏、在护栏上部设置阻爬坎两项改进措施。由此得到初步选定的护栏结构方案断面形式。

2.2.2初步方案的优化

初步方案选定之后，我们对护栏的具体尺寸通过理论分析、数值模拟和模型实验进行参数优化。数值模拟是采用计算机技术，建立车辆与护栏的有限元模型，并按照一定的力学规则和计算方法，模拟实际碰撞的虚拟实验过程。该项技术可以对车辆和护栏碰撞的情况做出预先评估，在确定护栏的方案及优化阶段具有十分重要的作用，是世界各国研究护栏的一项关键技术。模型实验是按照相似形的原理，采用小比例尺来模拟碰撞过程的一种实验方法，该方法主要用在护栏方案的选择阶段。本项目中模型实验采用的比例尺是1：5。

2.3桥梁护栏的结构强度设计

2.3.1设计方法

由于桥梁护栏是与桥梁翼缘板连结成整体并以桥梁翼缘板作为基础的，护栏的防撞能力除自身强度外还取决于桥梁翼缘板的支撑能力，因此验算护栏截面强度时，同时要验算桥梁翼缘板的截面强度，应满足桥梁结构和护栏稳定的要求。其基本原理是：将护栏看作底部固接两侧无限延伸的悬臂板结构，当碰撞力的水平分力作用在护栏上时，护栏墙体除了直接受力的板条（宽度为碰撞力的分布宽度a0）承受弯矩外，两侧相邻的板条也发生挠曲变形而承受弯矩。

假设受载板条的最大负弯矩为mymax，碰撞力引起的总弯矩为M0=Fh，则护栏的有效工作宽度为：

其中，F――碰撞力的大小，

h――碰撞力的作用高度，指碰撞力距桥面的竖直距离，若验算截面不位于桥面处，则表示碰撞力距验算截面的竖向距离。

在护栏结构强度设计中，我们是以y方向的最大负弯矩为控制弯矩的，即护栏在水平方向不能断裂。这里没有考虑护栏在纵向（x方向）的弯矩，即允许护栏在竖向开裂，产生一定范围的变形，这会有利于降低结构刚度，吸纳碰撞能量，也有利于乘员加速度指标。

因此，只要知道F、h、a就可按照矩形截面梁的设计理论对护栏进行设计。荷载的有效分布宽度参照《公路桥涵设计规范》的方法计算，即：

a=a0+2×h……………………………… (2)

其中，a0为碰撞力的分布宽度。

至此我们可知，采用上述理论对护栏进行设计，关键是要合理确定碰撞力的大小、碰撞力的作用高度、碰撞力的分布宽度这三要素，它们取值的精度直接影响到护栏的结构强度设计是否经济合理，因此，如何对这三要素进行取值，成为本项目研究的一个重要任务。

2.3.2设计参数的选取与设计结果

由于没有任何实验资料，第一阶段对三要素的取值采用了《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》中提供的数据。为了保证实验的安全顺利进行，这一阶段的取值均偏于保守。通过第一阶段的实车碰撞实验，从实验的结果来看，护栏的结构强度偏大、刚度偏大，对护栏的经济指标和使用性能均产生了一些不利的影响，为了减小这些不利方面，我们对原有设计进行了修改，修改后的护栏断面见图1。

对修改后的护栏进行了第二阶段的实车碰撞实验，从实验的结果来看，护栏的各项性能指标不仅均能够满足评价标准的要求，而且比原来有所改善。

根据实车碰撞实验中护栏的破坏情况来看，护栏的结构强度能够满足碰撞实验条件下的安全防护要求。具体表现在：车辆没有冲断护栏；护栏内侧没有出现水平方向的裂缝，说明护栏的主筋用量足够；翼缘板没有出现纵向裂缝，说明翼缘板主筋和连接钢筋的强度也都满足要求。因此，采用上述的护栏设计方法和第二阶段设计所选取的参数对护栏进行结构强度设计，和对连接钢筋、翼缘板主筋验算，是安全的。同时，采用该方法设计的结果，材料用量与现有组合式护栏进行比较，混凝土用量没有增加，钢材有所减少。因此，在实际的工程中，可以采用上述设计方法。

2.4进行实车足尺碰撞实验，提出最终的桥梁护栏定型设计

实车碰撞实验是指通过用实际的车辆和足尺护栏，按照碰撞实验条件的要求，人为制造护栏碰撞事故，并测量记录有关数据，来检验护栏性能的一种实验研究方法。这种方法已经成为研究护栏的一种十分重要的方法，许多国家已将它作为护栏使用前性能检测的一项必备程序。

本项目对新型护栏性能的最终检验也是通过实车碰撞实验来进行的。其中桥梁护栏是建筑在跨径为10m、翼缘板宽度为1.1m的T梁上。实验是利用高速摄影或摄像、静动态电测技术采集车体、人体的速度、加速度以及护栏的加速度与应变等数据。实验的测量主要分为两个方面：一方面是检查碰撞过程对实验条件控制情况的测量，另一方面是护栏及车辆受力、变形、损坏等方面的测量。

碰撞试验在北京昌平的专用试验场内用12辆汽车分两阶段进行，当完成第一阶段8辆车碰撞试验后，专家组召开了中间评审会以指导后阶段的碰撞试验。

3 主要成果和效益

3.1主要成果

（1）新型桥梁护栏的各项性能指标均能达到评价标准的要求。其中护栏顶部阻爬坎能够有效阻止车辆内侧翻车和冲越或翻越护栏，该技术在国内外尚未见到，具有国际先进水平。

（2）采用本项目提出的设计方法和参数，比现行规范的设计参数更为接近实际，能够满足护栏设计的安全要求。

（3）本项目研究所采用的技术路线、实验方法、实验装备为以后进行护栏的开发研究打下了很好的基础。

（4）本项目开发的新型护栏不但增加了护栏的防撞能力，且节约了投资，具有较大的社会效益和经济效益。

（5）本项目的开展为我国交通安全设计及施工规范的修订提供了依据（本成果已被中华人民共和国行业推荐性标准“公路交通安全设施设计细则”JTG/TD81-2006所采用）。

3.2 效益分析

本项目成果的效益主要体现在三个方面：技术效益、经济效益和社会效益。

技术效益主要体现在：本项目研究所采用的技术路线、研究方法为我国公路护栏的研究开发提供了一个成功的经验。本项目所建设的碰撞实验场填补了国内大型、高速车辆碰撞试验研究的空白，为以后进一步研究提供了物质基础。同时本项目的开展也为护栏研究事业培养了一批研究人员。

经济效益主要体现在：新型护栏在提高了防撞能力的前提下，造价与现有的桥梁混凝土护栏造价基本相当，与组合式护栏相比还有较大节省，每公里每道节省造价96182元，经济效益显著。

社会效益主要体现在：新型护栏是根据我国高速公路的现实条件来设计的，大大提高了原有护栏的防护能力，能够有效防止恶性事故的发生频率，减小公路交通事故的死亡人数，提高公路的运营效益和社会效益。据不完全统计，本成果已在贵州、四川、宁夏及我省的福宁、漳龙、漳诏、京福等高速公路上推广使用。

参考文献

[1] 高速公路交通安全设施设计及施工技术规范.交通部部颁JTJ074-94.

[2] 公路桥涵设计规范. 交通部部颁规范.

[3] 高速公路桥梁护栏的研究开发总报告[R]. 北京深华科交通工程有限公司.

[4] 车辆用防护标准与解说. 日本建设省, 2000.