纜索護欄在公路安全生命防護工程中的應用

林　棟

（海南省公路勘察設計院，海南 海口 570206）

0　引言

隨著海南省中線高速瓊中至樂東段、橫向萬洋高速的開工以及海南省農村扶貧道路工程的建設，海南即將迎來快捷舒適、四通八達的公路網。然而與此同時，道路交通事故數量也在逐年上升，其中路側事故所占比重最大。據不完全統計，路側事故數量占全部道路交通事故數量的1/3左右，而路側事故所造成的傷亡人數比重則要明顯高于路側事故數量比重。由此可見，路側事故相比其他類型事故而言更具有嚴重性。

護欄作為路側安全防護設施，通過自身變形或者失控車輛抬高吸收碰撞能量，從而改變車輛的行駛方向，起到防止車輛沖出路外、降低駕駛員受傷程度和保護路側建筑物的作用。護欄最大限度地降低了道路交通事故的嚴重程度和經濟損失，為道路上能夠高效便捷地行車提供了安全保障。護欄按照受力力學特性的不同可以分為剛性護欄、半剛性護欄和柔性護欄三種形式。其中，我國使用最廣泛的是半剛性護欄，即波形梁護欄。柔性護欄是一種具有較大緩沖能力的韌性護欄，主要是纜索護欄。對于扶貧農村公路特別是山區公路，安全防護更為重要，針對路側安全問題，采用合適的纜索護欄，可有效提高當前低等級山區公路交通安全水平[1]。

1　纜索護欄的結構組成

纜索護欄是一種具有較大緩沖能力的柔性安全護欄，是與剛性護欄相對應的另一極端形式。它以數根施加了初拉力的纜索固定于支柱上，主要依靠纜索的拉應力來抵抗車輛的碰撞并吸收碰撞能量，纜索在彈性范圍內工作，具有較大的韌性緩沖能力，能夠達到“以柔克剛”的效果。汽車撞擊纜索護欄的過程極為復雜，是一個典型的大位移、大轉動、大應變且具有未知約束的強非線性問題。在撞擊過程中，纜索的拉應力隨著汽車的相對運動不斷變化，纜索和中間立柱的摩擦力則隨著纜索拉應力的變化而變化，這便又影響著汽車的運動軌跡。

纜索護欄主要由防阻塊、纜索、固定纜索部件、立柱等結構組成。防阻塊由螺栓固定在立柱上，纜索由固定纜索部件安裝在防阻塊上。

（1）纜索。纜索是鋼索護欄的主體部分，對其強度、韌性、索徑和防腐能力等均有較高的要求。護欄采用5根或者6根平行纜索，由優質碳素結構鋼制造，表面鍍鋅，具有較高的強度和抗腐蝕性能。

（2）護欄立柱。護欄立柱包括端部立柱和中間立柱，是主要的受力構件。中間立柱在攔截過程中承受較強的沖擊力，需要有較大的抗彎剛度和抗扭剛度，采用圓筒型焊管支撐架，普通碳素結構鋼板制造；端部立柱承受纜索拉力和失控車輛的碰撞力，采用三角形支架的穩定結構，鑄鋼制造。

（3）防阻塊。防阻塊稱為鋼索托架，與立柱采用的材料相同。它能支撐纜索，保持纜索的距離和結構形態，具有緩沖吸能、減少絆阻等作用。

2　纜索護欄的優點分析

近年來，防護護欄經過試驗檢測以及其使用效果表明，高性能的柔性纜索護欄有它獨特的優點。纜索護欄價格便宜、易于修理、施工和撞擊后維修較經濟，能提高高速公路路側安全性和透視效果。合理的使用柔性纜索護欄具有一定的社會效益、經濟效益和環境效益。

2.1　經濟效益

（1）工程造價較低，節約鋼材資源。在工程造價方面，纜索護欄相比其他護欄而言具有較強的優勢。依據有關調研分析，不同種類護欄的每延公里造價各異。混凝土墻式護欄整體式約為15萬元，分離式約為18萬元，波形梁護欄約13萬元，纜索護欄約為11萬元，可見纜索護欄的經濟效益十分顯著。使用鋼材方面，相比波形梁護欄的用鋼量，纜索護欄用鋼量更為節省（見表1）。由表1可知，纜索護欄比防護等級相同的三波形梁鋼護欄節約鋼材77%左右，比雙波形梁鋼護欄節約鋼材47%左右，滿足“資源節約、可持續發展”的理念[2]。

表1　每公里護欄使用鋼材對比

（2）施工方便，安裝成本較低。纜索護欄的立柱設置間距較靈活，打入或埋入的立柱比波形立柱數量少，跨越涵洞、通道等結構物障礙時，調整樁位較容易，給施工安裝帶來極大方便，掛纜后的線形調整也較容易。安裝時，將施加初應力的纜索用索端錨具固定于端部上，在中間立柱上設置防阻塊或托架和U型螺栓與纜索相連；施工時，工藝比波形護欄拼接簡單，施工成本降低。

（3）減少維修費用，具有防盜性能。纜索護欄完全依靠纜索的拉應力來抵抗車輛的碰撞，依靠立柱、托架的解體變形、移位及纜索的摩擦來吸收失控車輛的能量。由于纜索在彈性范圍內工作，因此纜索護欄在遭碰撞事故后，一般不需要更換纜索，只需要更換中間立柱和托架。纜索護欄基本不需要除銹涂漆保養，具有較好的防盜性能，減少了維修養護等相關費用。在冬季，由于纜索護欄結構不阻雪，進而減少了冬季防滑、除雪及日常公路養護工程量。相比而言，波形鋼護欄在遭碰撞后，則需要更換波形板以及立柱，平時還需要定期除銹涂漆保養。

2.2　社會效益

（1）具有良好的路側安全防護功能。纜索護欄具有較好的柔韌性，能有效地吸收失控車輛的能量，防止車輛沖出路側邊緣，避免發生二次事故。因此，其車損及傷亡率均低于混凝土護欄和波形梁護欄的車損及傷亡率。同時，纜索護欄的碰撞突破率也低于波形梁護欄的突破率。

（2）適用性強，符合我國地域特征復雜的國情。在軟土路段和估計有不均勻沉降路段上設置纜索護欄，可有效減輕路基沉降對護欄的損傷。在長直路段、大彎道、風景區等地方設置纜索護欄，其美觀的外形與景觀較協調，駕駛員沒有壓抑感，行車較舒適。纜索直徑小，迎風面積遠遠小于波型鋼護欄，因此纜索護欄更適用于海南的溫度及臺風環境。

（3）纜索護欄對車輛的包容性好，對大尺寸車輛有較好的引導作用。

2.3　環境效益

（1）防腐性能優良，耐用環保。纜索護欄表面采用防腐技術進行處理。相較于傳統的熱鍍鋅方式，“多元合金共滲”技術更環保、無污染、防腐性能非常好，通過連續自動化熱浸鍍技術，在熔融狀態的鋅液中添加鋁、鎂、硅等元素，一定溫度下將鍍液浸鍍在鋼板或鋼帶表面，形成具有高耐腐蝕性的鋅－鋁－鎂等合金鍍層。

（2）具有良好的通透性和景觀融合效果。纜索護欄結構簡捷明快，通透性好，護欄形式美觀，與高速公路周邊的環境相協調。汽車行駛時沒有壓迫感，可在纜索護欄上加線形誘導標、輪廓標或外加PE塑料扣板進行裝飾，更能增強視覺誘導效果，減輕駕駛員疲勞。

3　設置路側纜索護欄需考慮的因素

設置纜索護欄時，需考慮以下因素:

（1）纜索護欄的變形量。護欄在碰撞受力后的變形量是護欄設置時要考慮的一個重要因素，尤其是當被防護對象為剛性物體時。如果護欄防護的是剛性物體，那么護欄與被防護物體之間的距離應不小于護欄在受車輛撞擊后所發生的實際變形量。《高速公路護欄安全性能評價標準》(JTG/T F83－01-2001)給出了纜索護欄的最大動態變形量為1 000 mm。如果護欄與障礙物的間距不能得到保證，那么在到達碰撞物體前的一段護欄就要采取加大力柱尺寸、減少力柱間距、加強梁板強度等措施以減小護欄的變形量[3]。

（2）纜索護欄初始拉力大小。柔性纜索護欄初始拉力的大小對碰撞軌跡和緩沖寬度有直接影響。改變材料的力學性能，選擇彈性模量與強度比值小且抗拉強度比較大的材料，可以增大緩沖距離。選擇相應纜索材料將會更加充分地體現出此種結構的優點。

（3）纜索護欄端部外展。護欄的端部通常進行外展處理，主要用于路側護欄由起始位置到被防護障礙物(如橋墩)間的過渡。外展處理使路側護欄端部距離行車道更遠，將護欄逐漸引入到與行車道邊緣線平行的位置，使護欄防護的路側障礙物不會輕易引起駕駛員較多的注意力，有利于行車安全。護欄外展的缺陷也很明顯，展開率 (b∶ a)越大，車輛碰撞角就越大（見圖1）。隨著碰撞角的增加，事故的嚴重程度也會增大。推薦的設計速度為100 km/h和80 km/h的公路，其路側護欄端部展開率分別為1∶18和1∶16。

圖1　護欄端部外展處理示意圖

（4）纜索護欄位置的設置。我國高速公路路側護欄一般設置在土路肩上，《高速公路交通安全設施設計及施工技術規范》（JTJ 074-94）中只根據土路肩寬度對路側護欄與路肩邊緣之間的最小距離進行了規定，卻沒有對護欄與障礙物之間應有的合理間距進行規定。護欄位置的設置與其作用的發揮程度緊密相關，與道路交通安全息息相關[4]。在設置纜索護欄時，應結合道路的實際情況和纜索護欄的功能要求，對其具體的布設位置進行研究，既要讓路側纜索護欄發揮功效，又不影響到正常的交通秩序。

（5）纜索護欄的最小設置長度。護欄最小設置長度是指護欄的標準段、漸變段和端頭所構成的總長度。路側護欄的最小設置長度，主要考慮護欄的整體作用，只有當護欄作為連續梁時，才能很好地發揮整體效果，護欄才是有效的。如果護欄設置長度較短，不但影響美觀，而且不能發揮護欄的導向功能，增加碰撞的危險性。

4　結語

本文對纜索護欄的研究和應用現狀進行了綜述，闡述了纜索護欄的結構組成，并對纜索護欄的優點進行了分析，其適應性強、安全性好、施工方便、易于維護修復、經濟效益明顯。再結合山區高速公路的特點，提出了纜索護欄的適用條件，最后分析了在設置纜索護欄時需考慮的關鍵問題，為纜索護欄在公路安全生命防護工程的推廣應用提供參考。

涉及雄安新區的高速公路項目2020年通車

今年，河北省高速公路建設項目多為京津冀協同發展、雄安新區建設、冬奧會和扶貧攻堅等重大戰略保障項目，按照應通必通、應開必開、應建必建要求，2020年重點是津石等涉及雄安新區的高速項目建成通車。

今年河北省高速公路建設總規模將達到20條段以上，近2 000 km，確保通車584 km，力爭達到700 km左右，新開工力爭達到600 km以上。每一個項目都明確了具體開工時間和通車時間：今年重點是力爭太行山高速建成通車，2019年重點是延崇高速公路建成通車，2020年重點是津石等涉及雄安新區的高速項目建成通車。

其中，京雄高速和延崇高速公路建設將堅持對標世界眼光、國際標準、中國特色、高點定位的要求，以“雄安質量”的標準，努力打造資源節約、生態環保、低碳節能、智慧高效、服務為本的高品質綠色示范公路。