路侧护栏设计

路侧护栏设计【摘要】本文通过对我国高速公路上使用的三种路侧护栏形式的碰撞性能的分析，探讨了路侧护栏设计中应考虑的因素。【关键词】路侧护栏碰撞性能设计RoadsideBarrierDesignTangChengcheng(ResearchInstituteofHighway,Beijing)AbstractThispaperanalyzestheimpactperformanceofthreetypesofroadsidebarriersanddiscussesthefactorsshouldbeconsideredindesigningtheroadsidebarriers.KeywordsRoadsidebarrierImpactperformanceDesign前言路侧事故在公路事故中占了大约30%的比例，就是说，每3人死亡事故中，就有1人死于车辆驶离道路的事故。这个数据说明了路侧环境在伤亡和严重事故中起了很重要的作用。车辆驶离道路侵入路侧的原因很多：驾驶员疲劳或大意、车速过高、酒后或药后开车、碰撞避让、冰雪雨等、车况不好、可见性差等等。但是，不管车辆驶离道路的原因如何，如果路侧无固定障碍物、边坡平缓，则事故的严重度会大大降低。美国的路侧护栏设计②③认为：如果路侧净区宽度超过一定值，就不必设置路侧护栏了。实际上由于公路用地及工程费用的原因，大多数很难满足其路侧净区的要求，必须设置路侧护栏以防护车辆驶出道路碰撞路侧障碍物。下面从我国目前使用的3种护栏形式的碰撞性能着手，探讨路侧护栏的设计。1护栏分类及碰撞性能路侧护栏一般根据其在碰撞中的变形特征分为：柔性护栏、半刚性护栏和刚性护栏。我国目前使用的缆索护栏、W梁护栏、混凝土护栏就分别属于这三类。1.1缆索护栏缆索护栏是由钢缆索、弱柱组成。在国内曾用于宁合高速公路及江阴大桥主桥上。碰撞性能：美国碰撞试验资料表明其可以较好地引导820～2000kg内的车辆；缆索护栏的缆索张力达到一定程度后，引导碰撞车辆，碰撞区立柱阻力较小；减小立柱间距可一定程度上减小横向变形。（试验1600kg小车，碰撞速度为100km/h，相对应于立柱间距1.2m～4.9m时，其变形是2.1m～3.3m）。缆索护栏的首要优点是初始成本低，对车辆的包容性好，对较大范围的尺寸的车辆有较好的引导作用，设置条件较宽，对车辆的减速度力较小；这种护栏由于其开放式设计，可防堆积，用于风雪和风沙地区优越性较好。使用这种护栏的主要缺点是碰撞后相当大范围内的缆索失效，需要维护；这种护栏外需要较大的净区；曲线内侧的护栏功效降低；安装维护时对高度的校正较敏感。1.2W梁护栏（防阻）W梁护栏是目前我国最常用的护栏，其特征是：W梁与立柱之间有防阻块。防阻块的作用是在立柱变形的最初阶段，使梁仍维持一定高度，减少了车辆跃过护栏的可能性。碰撞性能：美国碰撞试验资料表明其可引导800～2000kg范围内的车辆；有碰撞试验---2100kg重的小货车、95km/h车速、21°碰撞角---引导正确，其动态横向变形为0.6m～0.9m。我国碰撞试验表明其可引导10000kg的货车（15°碰撞角、60km/h车速）以及2000kg的小轿车（25°碰撞角、80km/h车速）。我国的W梁护栏属强柱护栏，通常在适度的碰撞后仍有功效，因此不必马上维修。1.3砼护栏砼护栏主要设置于中央分隔带，也可以用于路侧。我国使用较多的是NJ型（新泽西型）和F型（改进新泽西型）两种砼护栏。碰撞性能：NJ型是近年来试验最多的护栏。高810mm的护栏成功地引导820～2000kg范围内的车辆；中度碰撞情况下，有时也能引导18000kg车辆。高1070mm的新泽西型护栏成功地引导了36300kg拖车（15°碰撞角，84km/h车速）。F型砼护栏，小车的实车碰撞试验的最大倾翻角小于NJ型，车辆碰撞后的损坏程度也很相似，F型的加速度值也略小于NJ型。大车的实车碰撞试验表明，由于F型护栏的坡面较小，卡车前轮没有爬向护栏坡面的迹象，护栏使失控车辆改变行驶方向后，车辆的尾部接触到护栏的顶面，但护栏施加在车辆尾部的稳定力使车辆免于倾翻，F型护栏防护卡车的性能略优于NJ型护栏。2路侧护栏设计路侧护栏设计时首先要确定是否设置护栏；如果需要设置护栏，要确定护栏形式；最后，要确定护栏设置位置、长度、高度、埋深等设计细节。2.1设置依据路侧护栏设置的依据取决于其是否减小事故的严重度。应注意的是车辆驶离道路的频率与事故的严重度不是直接相关的。一般，护栏使用依据以客观分析特定路侧因素或条件为基础。如果一辆车碰撞某一固定物体或驶离道路后比碰撞护栏更危险，则应设护栏。使用这个方法时，很多情况是护栏和被防护的物体哪个被撞时更危险还不很明显。而且，这个方法未直接考虑事故发生的可能性，也未考虑与防护相关的费用。AASHTO的“路侧设计指南”①推荐了一个成本/效益分析法的计算机程序，通过使用成本效益分析来确定是否设置护栏，将与护栏有关的费用（安装费、维修费、事故费等）和无护栏时的费用进行比较。设计速度、交通量等因素都可通过与护栏的关系来评价。我国的设计规范④中的设置原则可以归纳为：根据路堤和路侧障碍物两个因素决定。2.2形式选择一旦确定要设护栏，接着就要选择护栏形式。这个选择过程没有客观的标准，但仍有一些一般规则可依循，最宜采用的护栏应以最低的成本并提供要求程度的防护。选择护栏形式应考虑的因素见表1。表1路侧护栏形式选择因素2.2.1碰撞性能参见1中所述。柔性护栏一般由于护栏变形大，碰撞能量消散而对车辆产生较小的碰撞力，比其他类护栏更有包容性。但是，为小车设计的护栏对公交车、卡车等大车的防护效果没那么有效。现在已有单位在开发使用适用于重车的护栏。尽管目前JTJ074规范④中未规定使用高性能护栏的客观判断依据，以下是经常要考虑的因素：.交通流中重车比例大.不利地形，象小半径曲线与视距不好结合的地方.护栏穿透大车或大车冲出护栏的后果严重2.2.2变形特征确定了要求的性能等级后，地点特征可能会限定设置护栏的类型。如果护栏与被防护的物体或地形之间的距离较大，护栏受撞后变形较大，对车及乘员的碰撞力就较小，这是最好的情况。如果障碍物离护栏较近，就只有选用半刚性或刚性护栏了，半刚性护栏可以通过增加立柱（减小柱距）或加强梁的强度来增加护栏的刚性以防护离护栏较近的固定物体。2.2.3使用期费用初始费用和后继维护费用可能在最终的护栏选择过程中起重大作用。一般讲，初始费用随护栏刚性的增加而增加，但维护费用降低；相反，如果其一护栏初始安装费用较低，碰撞后的维护费用就较大。2.2.4维护维护因素可分为三类：日常维护，碰撞维护，材料贮备要求。1）日常维护路侧护栏的日常维护费用无明显不同，使用处理较好的镀锌钢立柱和板几乎不需要清洁和刷涂。2）碰撞维护碰撞维护包括与车辆碰撞有关的所有的更换、修理、调整，这个费用在护栏形式选择中影响重大。某一地点碰撞可能发生次数取决于很多因素：车速、交通量、道路线形、行车道与护栏的距离等。对某一次碰撞，护栏损害程度主要取决于梁的强度。在交通量很大，碰撞经常发生的情况下，碰撞维护费用的考虑占绝对主导地位。尤其在城市地区高速公路，维修工人很难在不阻断交通的情况下完成梁的维修。因此，刚性护栏常是这种地方的首选。2.3设置细节确定了某一地点需要设置护栏，选择了护栏形式后，就要明确设置的具体内容：.离开车道边缘的横向距离.地形影响.端部斜展率.需要的长度.梁的高度.立柱埋深2.3.1横向偏位由于路侧护栏本身也是障碍物，在条件许可的情况下，路侧护栏应设置得尽可能远离行车道。这样，偏离行车道的车辆能够最大可能地无事故地重新驶回行车道。路侧物体距离行车道边缘超过一定值后，就不被认作障碍物，驾驶者一般不会因之降低车速或改变车辆在行车道上的位置。这个距离称为横向偏位。这个距离随车速的不同而不同，美国的路侧护栏设计的建议值见表2。根据我国的公路技术标准⑤的规定，我国各级公路横断面均能满足此要求。但是，必须注意要确保路侧护栏与其他构造物相连时适当的过渡设计；还应注意要确保护栏与障碍物之间适当的距离。表2建议的横向偏位值护栏碰撞时的变形不仅是形式选择的重要因素，也是设置的重要因素。尤其是被防护的障碍物是刚性物体时，护栏与物体之间的距离应足够大以避免车辆在刚性物体上绊阻。护栏与刚性物体之间的距离不应小于10t重的车、15°碰撞角、60km/h车速时碰撞的动态变形。有些情况下，护栏与物体之间的距离可能小于这个变形量，应增强固定物体前护栏的刚度。一般用以减少半刚性或柔性护栏的变形量的方法主要有：减少立柱间距、增加柱子尺寸、增加梁的刚度等。如果某一路堤需要防护，护栏与路堤的距离应足够大，以保证柱子发挥护栏作用所需的足够的土压力。但这个距离随路堤边坡的土质类型、碰撞条件、柱子横断面、埋深的不同可以不同。2.3.2地形影响无论是什么类型的路侧护栏，无论碰撞车辆的尺寸和类型如何，碰撞时最好的结果就是碰撞车辆所有的车轮都在地面上，因此，车行道与护栏之间地形特征对护栏碰撞性能的发挥影响重大。路缘石主要是作为排水设施，是应特别注意的特征。NCHRP150⑥中认为一般的缘石类型对车辆碰撞这些缘石时的竖向轨迹有显著影响。车辆经过缘石时，竖向升高了，车辆的重心、前保险杠的高度都提高了，且随碰撞条件、缘石类型、缘石后行驶的横向距离的不同而不同。路侧设计手册①认为应避免在高速、大角度碰撞可能发生的地方将缘石与护栏联合使用。如果不得不用，则缘石高度不应高于100mm，或者在柱后连接一块W梁或摩擦梁，加强梁的刚度以减小其护栏梁的变形。但是，另有一项研究⑦---330例与缘石有关的事故分析表明：无论缘石类型以及是否偏位，缘石对设置于其后的护栏性能无不良影响。2.3.3斜展率斜展段一般用来设置护栏端部，使其远离行车道，通过逐渐变化与路平行来减少驾驶者对靠近道路的路侧障碍物的反应。路侧护栏设置斜展段的缺点是：斜展率越大，碰撞角就越大，碰撞角大了，事故的严重度就增加了，尤其对于刚性半刚性护栏；第二个缺点是：碰撞后被引导的车辆可能会回行穿过车道，与来车二次相撞。表3所示，推荐的最大斜展率是公路设计车速与护栏类型的函数。在坡度较大的路侧通常是路堤边坡较陡的情况，要求侵入角较小，一般用较缓的斜展率。如果采用较小的斜展率，由图1可看出：需要的护栏长度大了。表3护栏设计建议的斜展率*刚性护栏建议用最大的斜展率**半刚性护栏建议用最大的斜展率2.3.4需要长度图1表明了确定路侧护栏有效地防护障碍物所必须的长度时要考虑的几个变量，主要是驶出长度LR和相关区域的横向宽度LA。图1护栏需要长度变量图驶出长度LR---理论上车辆离开行车道到停止下来所需的平行于行车道的长度。表4中所示数据①一部分是根据高速公路中央分隔带的侵入的研究进行调整得来，一部分是根据低速侵入时驾驶者反应时间和车辆停止特征得来。护栏长度要能够截断车辆的驶出轨迹。相关区域的横向宽度LA---从行车道边缘到障碍物外边缘之间的距离。LR和LA选定后，特定地点需要护栏的长度就确定了。表4驶出长度建议值在许多情况下，不用斜展率，护栏的设置平行于车行道，这样需要设置的长度较长，其成本必然也高于平缓斜展率的费用。确定需要长度最直接的方法是直接在公路平面图上按比例布设。通过选择适当的驶出长度和需要防护的横向距离，设计者就可确定护栏的设置长度。这个方法最适合于确定曲线段的路堤及固定物体的防护所需要的护栏长度。2.3.5梁高及立柱埋深护栏梁的高度取决于被防护的车辆的尺寸，理想的碰撞和防护发生在车辆重心高度及前保险杠高度与护栏梁的高度相当的情形下。否则，容易发生两种情况：车辆钻入护栏横梁下面、车辆从护栏横梁上翻越。应根据公路上交通的组成及比例确定不同类型护栏梁的高度。立柱的埋深取决于立柱的断面尺寸、土的承载力（与土基类型及压实情况、立柱距边坡的距离等有关）。关于这两方面，国外从理论到试验都有大量的研究。篇幅所限，以后详述。3结论合理设置路侧护栏对保证路侧安全的作用重大，但是路侧护栏形式的多样化以及设置的影响因素众多使得路侧护栏的设计十分复杂