高速公路車輛碰撞能量與護欄等級的研究

柳 佳

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責任公司 沈陽市 110166)

高速公路的安全設(shè)計是一個多學科交織的、綜合性強的、復雜的系統(tǒng)工程，路線、路基、路面、橋涵、隧道、景觀、智能交通、安全設(shè)施等專業(yè)所有涵蓋公路設(shè)計的公路人一致致力于提高高速公路的安全性和舒適性，多年來形成了主動引導優(yōu)先的理念，護欄作為被動防護的最后一道屏障，在保障駕駛?cè)思俺丝偷纳踩矫嫫鸬脚e足輕重的作用。

1 車輛碰撞能量的分析與計算

護欄作為一種帶狀吸能結(jié)構(gòu)，設(shè)置在高速公路中央分隔帶和路側(cè)，起到阻擋車輛沖出道路、導向車輛恢復至正常軌跡、吸能緩沖、降低對駕駛?cè)思俺丝偷膫Φ淖饔谩Ｔ凇豆纷o欄安全性能評價標準》(JTG B05-01-2013)中，護欄防護等級分為八級，每一等級對應特定的防護能量，高速公路如何選取護欄等級是至關(guān)重要的。每一等級護欄對應的碰撞能量，即為該護欄能夠起到阻擋、導向、緩沖作用所能承受的車輛碰撞能量，護欄等級越高，自然所能承受的能量越強，但護欄的設(shè)置要考慮工程經(jīng)濟因素，不能一味做高，如何適度防護顯得尤為重要。考慮到投資造價、事故概率等因素，護欄的設(shè)置要確保至少85%～90%的車輛不會沖出路外，主流觀點認為選取85%位車輛碰撞能量作為選取護欄的依據(jù)較為恰當。

根據(jù)研究和經(jīng)驗，高速公路的車型構(gòu)成、車型比例、運行時速、碰撞角度影響著車輛碰撞能量的統(tǒng)計與計算。

(1)

式(1)中，E(kJ)為車輛的碰撞能量(垂直于行車方向)，m(kg)為車輛的車體總質(zhì)量，v(m/s)為車輛的碰撞速度，θ(°)為車輛的碰撞角度。

(1)車型構(gòu)成的分析

高速公路的車型構(gòu)成與比例可以從特征年交通量獲得。特征年交通量與社會經(jīng)濟與交通運輸密切相關(guān)，通過對交通量OD數(shù)據(jù)的調(diào)查、社會經(jīng)濟發(fā)展的預測等最終形成特征年交通量。如A高速公路車型組成見表1。車型比例預測見表2。

表1 A高速公路車型分類表

表2 A高速公路車型比例預測

從上述表格中可以看出，該高速公路小型車占比約50%，中型車占比約15%，大型車占比約35%，《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細則》(JTG/T D81-2017)規(guī)定高速公路護欄等級起設(shè)為A級，可以初步判定，鑒于該高速公路大型車占比較高，A級護欄應該已經(jīng)無法滿足基本防護需求。

(2)碰撞速度的統(tǒng)計

高速公路運行速度的高低取決于路線條件，根據(jù)《公路項目安全性評價規(guī)范》(JTG B05-2015)提供的運行速度運算模型，運行速度由平直路段長度、曲線半徑、縱斷坡度、隧道單元、互通立交單元等共同決定。在路線條件較好的路段，運行速度往往超過設(shè)計速度，各類車型的運行速度在選取范圍時，綜合考慮了高速公路最低限制速度和相鄰路段速度差不超過20km/h的最高行駛速度，而碰撞速度一般取值為運行速度的80%，根據(jù)計算，A高速公路各車型碰撞速度區(qū)間見表3。

表3 A高速公路碰撞速度區(qū)間

(3)碰撞角度的選取

碰撞角度為車輛駛出方向與道路中線的夾角，與交通量、所屬車型、行車速度、所在道路位置有關(guān)，一般主要依據(jù)調(diào)研歷史交通事故車輛駛出角度進行統(tǒng)計。碰撞角度越大，產(chǎn)生的碰撞能量越大，根據(jù)《ROADSIDE DESIGN GUIDE》(4thEdition 2011)的調(diào)查結(jié)論，小型客車、小型貨車的車輛駛出角度一般為[5°,25°]，其他類型車輛駛出角度一般為[5°,20°]。

(4)碰撞能量的計算

按照以上各類車型的碰撞速度、碰撞角度，可以綜合得出表4。

表4 各類車型碰撞參數(shù)取值范圍

通過式(1)計算各類車型碰撞能量區(qū)間，累加、統(tǒng)計百分比，結(jié)合散狀點分布擬合多項式趨近線，可以預測出A高速公路在2020年的車輛碰撞能量累計百分比如圖1所示。

2 關(guān)于護欄等級的選取

從車輛碰撞能量累計百分比圖中獲得，85%位碰撞能量為264kJ，根據(jù)《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01-2013)的數(shù)據(jù)，A級護欄防護能量為160kJ，不足以滿足85%車輛的碰撞能量，SB級護欄防護能量為280kJ，符合車輛85%位碰撞能量的需求，所以A高速公路的護欄基本起設(shè)等級為SB級。當可能發(fā)生的事故嚴重程度更高時，如跨越其他高等級公路、路側(cè)為高填方等，為保障100%的車輛萬無一失時，特殊路段考慮設(shè)置SS級(520kJ)護欄。

隨著高速公路的建成，交通量逐年攀升，車型比例逐年變化，碰撞能量百分比的累計也會隨之變化。《高速公路交通工程及沿線設(shè)施設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D80-2006)規(guī)定鋼護欄的使用年限為15年，混凝土護欄的使用年限為20年，護欄作為相對固定的設(shè)施，在其有效的使用年限中，設(shè)計階段要適當考慮未來交通比重的影響，以此來考慮護欄等級是否滿足未來需求而十分必要，依照上述統(tǒng)計方法，計算出A高速公路未來特征年的碰撞能量累計百分比如圖2～圖5。

根據(jù)以上4個碰撞能量趨勢圖可以得出，2026年、2031年、2036年、2039年分別對應的85%位碰撞能量是267kJ、270kJ、275kJ、279kJ,均滿足SB級護欄的防護能量，究其原因是所預測的未來大型車輛交通比重增長的不多，由此可知，在護欄的有效使用年限期間內(nèi)確定SB級為最恰當?shù)淖o欄起設(shè)等級。

3 結(jié)論與建議

通過對影響車輛碰撞能量的車型構(gòu)成、碰撞速度、碰撞角度進行分析研究，得到各類車型的碰撞能量，將車型構(gòu)成的比例與碰撞能量進行逐點標注，得出碰撞能量的累計百分比趨勢線，進而得到85%位碰撞能量，以此判斷高速公路的護欄最低起設(shè)等級。此方法適用于新建高速公路的護欄等級的選取，針對已通車高速公路也可以參考，通過樣本觀測的方式進行數(shù)據(jù)的前期統(tǒng)計。隨著2017版規(guī)范的實施，護欄的防護能力進一步提高，廣大設(shè)計人員對于護欄起設(shè)等級的選取可以參照本文提供的方法進行計算。同時建議，在考慮起設(shè)等級的基礎(chǔ)上，需要根據(jù)駛出道路可能發(fā)生交通事故的概率及嚴重程度，針對重點路段進行90%位碰撞能量的選取，甚至為保障100%的車輛不沖出路外，適當采用具備更高防護能量的護欄等級進行加強設(shè)計，這樣的設(shè)計理念也符合國家發(fā)展，《交通強國建設(shè)綱要》中要求“完善交通基礎(chǔ)設(shè)施安全技術(shù)標準規(guī)范，持續(xù)加大基礎(chǔ)設(shè)施安全防護投入，提升關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施安全防護能力”，護欄設(shè)計將更加精細、寬容，繼續(xù)為交通強國的建設(shè)添磚加瓦。