高速公路工作寬度受限護欄的設計與應用

亢寒晶，馬 晴，陽 初，宋慶慧

（1.北京華路安交通科技有限公司,北京市 100070；2.深圳市城市交通規劃設計研究中心股份有限公司，廣東 深圳 518057；3.葛洲壩集團交通投資有限公司山東區域運營管理中心，山東 濟南 250000）

0 引 言

為了更好地維護高速公路運營安全，高速公路兩側需設置護欄。合理設置的護欄結構可降低事故傷害程度，挽救乘員生命。近年來，公路交通量不斷增加、交通組成越來越復雜、車速不斷提升且車輛大型化，使得很多高速公路對護欄的安全防護需求逐漸提高，原有的護欄已不滿足防護需求。另外，還有部分路段在護欄外側設置了較多的燈桿、標志桿、門架等附屬設施，護欄需要在工作寬度受限的條件下對這些設施進行防護；一些路段風景優美，對護欄有景觀協調、視線通透的要求，需要在設計時進行特殊考慮。

依托某高速公路景觀設施品質提升工程，考慮安全防護、工作寬度受限、景觀通透等要求，研究設計了適用于高速公路路基段的3 級（A 級）和4 級（SB 級）梁柱式鋼護欄并進行應用。

1 防護目標

按照目前高速公路護欄的安全防護需求和相關標準規范[1-3]的規定，高速公路護欄最低防護等級為A 級，路基段一般采用A 級或SB 級即可滿足防護需求。應用最多的是A 級和SB 級波形梁護欄，其碰撞條件[1]如表1 所示。在工作寬度受限條件下對護欄進行安全性能評價時，除了阻擋功能、導向功能、緩沖功能，還需對護欄變形和車輛外傾的指標進行考察。此外，為了在應用時保持路段景觀協調，采購、加工、施工、安裝方便，2 種等級的護欄在結構上應具有一定的一致性。

表1 碰撞條件

2 結構設計

2.1 形式選擇

護欄為保護背部設置的構筑物，工作寬度受限[4]，因此需要選擇剛度較大的結構，可選形式包括混凝土護欄、組合式護欄、梁柱式鋼護欄。鑒于對護欄景觀協調、視線通透的要求，選擇梁柱式鋼護欄。

2.2 基礎設計

高速公路路基段護欄基礎可采用樁基礎和混凝土基礎[2-3]。梁柱式鋼護欄剛度較大，需要基礎提供一定的錨固力來保證梁柱式鋼結構防護功能的實現，因此提出一體式條形基礎：在土路基內澆筑條形鋼筋混凝土，將標準段護欄通過法蘭錨固在條形基礎上。經過仿真模擬發現，設置條形基礎的護欄在受到碰撞時基礎會順著碰撞力發生橫向移動（見圖1（a）），護欄雖然能夠防護車輛碰撞，但發生位移較大，不適用于工作寬度受限路段，需要增加基礎的剛度。進一步在條形基礎內增設鋼管樁進行固定，仿真模擬結果顯示基礎發生的位移大幅度減小（見圖1（b）），因而確定采用該基礎型式。

圖1 車輛碰撞不同護欄仿真結果

2.3 立柱和總高度設計

梁柱式護欄多采用方型、H 型立柱和其他異形立柱，其中H 型立柱剛度與其他結構更為協調，前翼板的設置也更容易進行螺栓連接[5]。進一步考慮結構的美觀性，設計采用類H 型立柱，立柱間距2 m。

護欄總高度是護欄最關鍵的參數之一，設計規范[2-3]規定SB 級及以下防護等級的梁柱式鋼護欄總高度不應小于1 m，SA 級梁柱式鋼護欄總高度不應小于1.25 m。進一步按照不同防護等級碰撞車輛條件和抗車輛傾覆的要求[1，3]，設計A 級結構總高度1 m，SB 級結構總高度1.15 m。

2.4 橫梁設計

橫梁安裝在立柱上，位于護欄前側，是直接承受碰撞的構件，也是最能體現護欄整體線形、景觀效果的結構。橫梁設計包括斷面形狀規格、橫梁的高度布置、橫梁與立柱之間的連接等方面[5-6]。

綜合構件強度、抗彎能力和景觀效果的考慮，設計采用3 排140 mm（寬）×120 mm（高）×4 mm（厚）半橢圓空心鋼管[7]。梁柱式護欄的橫梁迎撞面宜與立柱保持一定的距離，若過近則車輛碰撞發生變形時局部構件會從橫梁縫隙擠入并卡到立柱上發生絆阻[8]（見圖2）。為了減少絆阻情況的發生，在橫梁背部焊接寬度為110 mm 和170 mm 的防阻塊，防阻塊背部可通過螺栓與立柱連接，同時解決了橫梁安裝問題。

圖2 車輛與立柱發生絆阻

護欄最下排橫梁主要防護小客車，小客車車輪半徑一般為0.3～0.4 m，將最下排橫梁下沿高度設計為0.3 m，則中心高度為0.36 m。對于A 級結構，將3排橫梁進行均布，則中上橫梁中心高度分別為0.65 m、0.94 m。圖3 為小客車仿真碰撞結果，可見A 級結構對小客車防護效果良好，護欄下橫梁變形最大。

圖3 A 級結構小客車仿真碰撞

每排橫梁規格尺寸相同，即每排橫梁橫向承載力也相同。A 級結構橫梁橫向承載力加權平均高度為（0.36+0.65+0.94）/3=0.65 m，大于設計規范[2-3]規定的0.6 m，滿足要求。大型車的仿真碰撞過程也順利通過，圖4 為護欄變形情況。由圖4 可見，護欄整體受力較為協調，中上橫梁變形較大，因此對于大型車的防護中，上橫梁更為關鍵。

圖4 A 級結構大型車仿真碰撞結果

對于SB 級結構，設計中下橫梁與A 級結構相同，上橫梁按照總高度可得中心高度為1.09 m，銜接過渡時僅將上橫梁進行漸變過渡即可。A 級結構橫梁的強度表現較為合適，SB 級結構對防護能量的要求則顯著增加，需要進一步考察橫梁承載力。計算得到SB 級結構橫梁橫向承載力加權平均高度為（0.36+0.65+1.09）/3=0.7 m，等于設計規范[2-3]規定的0.7 m，滿足要求；仿真碰撞結果顯示SB 級結構雖然能成功防護車輛碰撞，但上橫梁發生了較大變形破壞（見圖5（a））。將SB 級結構上橫梁厚度由4 mm 增加到6 mm 的仿真結果見圖5（b），此時護欄結構強度得到有效提高。綜上，確定的A 級和SB 級梁柱式鋼護欄結構圖見圖6，構件規格尺寸見表2。

圖5 S B 級結構大型車仿真碰撞結果

圖6 A 級和S B 級梁柱式護欄結構圖（單位：mm）

表2 構件規格尺寸

3 安全性能評價

3.1 阻擋和導向功能

按照碰撞條件組織實車碰撞試驗[1]，對設計的A級和SB 級梁柱式鋼護欄安全性能進行評價。表3 為車輛碰撞A 級和SB 級梁柱式鋼護欄過程，可看出2種護欄均能成功攔截車輛，車輛順利導出并恢復行駛狀態，輪跡在評價標準規定的范圍內，其阻擋功能、導向功能均滿足要求。

表3 車輛碰撞A 級和S B 級護欄過程

3.2 緩沖功能

表4 為小客車碰撞2 種護欄的乘員碰撞速度、乘員碰撞后加速度指標值。由表4 可見，2 種護欄的緩沖功能均滿足要求。

表4 緩沖功能指標

3.3 變形受限防護功能

在護欄背部設置構筑物的路段，宜控制碰撞時的護欄變形和大型車輛外傾程度以保護護欄背部構筑物（小客車碰撞不考察外傾情況）。如表5、表6 所示，試驗測得A 級梁柱式鋼護欄的最大工作寬度為0.7 m，不及某A 級波形梁護欄最大工作寬度（1.45 m）的一半，車輛外傾程度也大幅度減小；SB 級梁柱式鋼護欄的最大工作寬度為1 m，大幅小于某SB 級波形梁護欄的最大工作寬度（1.85 m），車輛外傾程度同樣大幅度減小。因此，這2 種護欄更適用于工作寬度受限路段，可對護欄背部構筑物形成保護。

表5 護欄試驗數據

表6 與波形梁護欄對比

4 工程應用

A 級和SB 級梁柱式鋼護欄已投入到實際應用。在加工廠內進行橫梁與防阻塊焊接時，需注意應力形變，關注橫梁的垂直度并進行相應調整；現場施工時，注意保證鋼管埋入混凝土基礎內深度。應用照片如圖7 所示。由圖7 可見，護欄線形優美、視線通透性好，已成功防護幾起交通事故，且護欄變形小、安全儲備高。

圖7 護欄應用

5 結 語

按照部分高速公路路基段護欄工作寬度受限的條件，結合其景觀協調、視線通透、防護等級需求，進行了護欄選型、基礎設計、立柱和高度設計、橫梁設計分析，得到了適用于高速公路工作寬度受限路基段景觀型A 級和SB 級梁柱式鋼護欄結構；經實車碰撞試驗，驗證了護欄安全性能滿足要求，較同等級波形梁護欄工作寬度和車輛外傾值大幅減小，適用于工作寬度受限路段；根據工程應用及車輛碰撞護欄交通事故分析，2 種護欄具備較高的安全儲備，安全防護效果良好，可供類似工程參考。