李志濤，賈 寧

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司 南京市 210017； 2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院 北京市 100088)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)急速發(fā)展，社會(huì)化進(jìn)程加快，城市擴(kuò)張也向外發(fā)展，隨之而來(lái)的是在原先城郊地帶的高速公路部分路段路側(cè)建設(shè)了居民住宅或醫(yī)院、學(xué)校等噪音敏感點(diǎn)。老百姓長(zhǎng)期生活在高速公路的車輛噪音下，對(duì)此意見(jiàn)較為集中。城市經(jīng)濟(jì)要發(fā)展，公路運(yùn)輸也要發(fā)展，老百姓的生活質(zhì)量也要提高，有效降低公路噪音對(duì)老百姓的影響是重要的環(huán)境問(wèn)題。由于采用降噪路面、路側(cè)設(shè)置聲屏障的方式對(duì)路側(cè)的高層住宅的降噪收益有限，因此各地都有參照城市高架快速路做法對(duì)高速公路設(shè)置全封閉或者半幅封閉聲屏障的建議。

由于高速公路運(yùn)營(yíng)車輛的特征與城市高架快速路的運(yùn)營(yíng)車輛特征有較大差異，城市快速路通常限制3軸以上貨車運(yùn)行，大部分為小客車在高架橋上通行，小客車發(fā)生意外失控后對(duì)路側(cè)護(hù)欄的沖擊有限，不會(huì)對(duì)護(hù)欄上的聲屏障產(chǎn)生較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。然而高速公路上運(yùn)行著大量的載重貨車，該類型車輛發(fā)生意外失控后對(duì)護(hù)欄的沖擊較大，若聲屏障設(shè)置在護(hù)欄上有發(fā)生損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

以江蘇某高速公路項(xiàng)目為例，該高速公路通車后在路側(cè)建設(shè)了一高層住宅小區(qū)，臨近高速一排高層住宅距離高速公路路面邊緣約60～80m?，F(xiàn)場(chǎng)高速路側(cè)雖然布設(shè)了常規(guī)的4.5m高聲屏障，但高層住宅的中上層住戶對(duì)高速公路的噪音多年意見(jiàn)較大。為解決居民噪音困擾，高速公路擬對(duì)靠近住宅小區(qū)的半幅高速公路建設(shè)封閉式聲屏障，最大程度降低噪音影響。在設(shè)計(jì)封閉式聲屏障的過(guò)程中，建設(shè)單位和行業(yè)主管部門對(duì)交通安全問(wèn)題提出了較高的要求。因此設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)該工況進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

1 全封閉段線形安全風(fēng)險(xiǎn)分析

路段設(shè)置全封閉聲屏障時(shí)，車輛通行全封閉路段容易形成隧道效應(yīng)，本章重點(diǎn)考慮全封閉路段與普通路段運(yùn)行環(huán)境的差異性，從出入口設(shè)計(jì)指標(biāo)、駕駛?cè)瞬僮餍袨榈确矫嫦到y(tǒng)分析存在的運(yùn)營(yíng)安全風(fēng)險(xiǎn)。本項(xiàng)目半幅封閉聲屏障路段樁號(hào)為K0+624～K0+252，共372m，高速公路為雙向八車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)速度為100km/h。所在路段平曲線最小為1800m，豎曲線為凹曲線25000m，縱坡0.7%和2%，指標(biāo)良好，均滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。通過(guò)對(duì)該路段計(jì)算，擬設(shè)置聲屏障路段平曲線半徑大于停車視距要求的最小平曲線半徑， 平曲線提供的視距滿足停車視距要求。

全封閉聲屏障相對(duì)封閉、狹小，視區(qū)范圍窄，且受環(huán)境、噪聲污染普遍，駕駛?cè)擞砷_(kāi)闊的自然空間進(jìn)入狹窄的全封閉聲屏障空間后，容易產(chǎn)生壓抑感，在變道、超車、跟馳行駛等過(guò)程中，駕駛?cè)艘桩a(chǎn)生誤判，不利于行車安全。本項(xiàng)目在聲屏障段車道間采用白實(shí)線分隔，禁止車輛變道，有利于運(yùn)行安全。同時(shí)在聲屏障入口前路側(cè)增設(shè)保持車間距警示標(biāo)志，提醒車輛控制間距。

本項(xiàng)目設(shè)置的聲屏障為全封閉式，頂部采用透明材料，由于全封閉聲屏障路段內(nèi)外環(huán)境的差異，駕駛?cè)嗽诔鋈肟诼范慰赡艽嬖谝暰€不連續(xù)的情況，對(duì)前方道路情況的認(rèn)知水平低于其他路段，對(duì)車輛運(yùn)行影響與隧道相似。因此設(shè)施方面風(fēng)險(xiǎn)分析仍參考隧道進(jìn)行。本項(xiàng)目聲屏障路段長(zhǎng)度為372m，按照《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》屬于短隧道。經(jīng)核查路線前后全封閉聲屏障內(nèi)外3s運(yùn)行速度行程長(zhǎng)度范圍的平縱面線形保持一致。

本項(xiàng)目主線均采用分車道、分車型管控措施，主線雙向八車道路段，內(nèi)側(cè)兩車道僅供客車行駛，貨車只能在外側(cè)車道行駛?？紤]到本項(xiàng)目聲屏障的影響，在入口處聲屏障內(nèi)外各車道設(shè)置縱向減速標(biāo)線，同時(shí)采用高亮標(biāo)線，加強(qiáng)線型誘導(dǎo)。

2 全封閉段護(hù)欄安全風(fēng)險(xiǎn)分析

如圖1所示，聲屏障設(shè)置路段為雙向八車道，中央分隔帶寬度3m，設(shè)計(jì)速度120km/h，限速100km/h，平曲線半徑R=1800m，縱坡2%，車型構(gòu)成和路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置見(jiàn)圖1，路側(cè)設(shè)置兩道混凝土護(hù)欄，中分帶設(shè)置分設(shè)式混凝土護(hù)欄。

圖1 路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置

對(duì)于高速公路行駛車輛而言，設(shè)置在中央分隔帶和路側(cè)的聲屏障立柱是一種障礙物，如果車輛碰撞護(hù)欄發(fā)生較大側(cè)傾，進(jìn)而碰撞聲屏障立柱，不僅可能對(duì)車輛及駕乘人員造成傷害，還會(huì)危及聲屏障的結(jié)構(gòu)安全。本次研究將根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》[1](JTG/T D81—2017)的相關(guān)規(guī)定，結(jié)合以往相關(guān)研究成果以及車輛碰撞護(hù)欄數(shù)值仿真模擬，分析聲屏障處護(hù)欄設(shè)置的規(guī)范符合性，并評(píng)估車輛失控碰撞此處護(hù)欄以及聲屏障立柱的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 路側(cè)護(hù)欄

根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》[1](JTG/T D81—2017)的規(guī)定，對(duì)于本項(xiàng)目路側(cè)存在居民區(qū)的情況，參照路側(cè)計(jì)算凈區(qū)寬度范圍內(nèi)有高速鐵路、高速公路、高壓輸電線塔、危險(xiǎn)品儲(chǔ)藏倉(cāng)庫(kù)等設(shè)施，按照事故嚴(yán)重程度為高，本項(xiàng)目縱坡、平曲線半徑和總質(zhì)量大于或等于 25t車輛自然數(shù)所占比例達(dá)不到考慮提高防護(hù)等級(jí)的條件，設(shè)計(jì)速度為120km/h 和 100km/h時(shí)護(hù)欄防護(hù)等級(jí)要求分別為SS級(jí)和SA級(jí)。路側(cè)護(hù)欄設(shè)置如圖2所示，設(shè)置兩道護(hù)欄，兩道護(hù)欄之間的凈距為 1.5m，護(hù)欄型式為《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》[1]( JTG/T D81—2017 )規(guī)定的路基樁礎(chǔ)混凝土護(hù)欄，護(hù)欄高度1.1m，設(shè)計(jì)防護(hù)等級(jí)為SS級(jí)，滿足D81 設(shè)計(jì)細(xì)則規(guī)定的防護(hù)等級(jí)要求。

圖2 路側(cè)護(hù)欄設(shè)置

根據(jù)本次設(shè)計(jì)封閉式聲屏障平面布置，聲屏障立柱距離外側(cè)護(hù)欄的最小距離為0.926m，則聲屏障立柱距離內(nèi)側(cè)護(hù)欄迎撞面的最小距離為：0.926+0.525+1.5+0.525=3.476m。根據(jù)SS級(jí)混凝土護(hù)欄的車輛碰撞仿真模擬結(jié)果，車輛最大動(dòng)態(tài)外傾當(dāng)量值(VIn)分別為：18t大型客車1.15m，33t大型貨車0.93m。對(duì)應(yīng)的車輛碰撞時(shí)刻，車輛最大動(dòng)態(tài)外傾當(dāng)量值(VIn)小于聲屏障立柱距離內(nèi)側(cè)護(hù)欄迎撞面的最小距離，滿足安全要求[2]。

2.2 中分帶護(hù)欄

中分帶護(hù)欄設(shè)置如圖3所示，設(shè)置分離式混凝土護(hù)欄，護(hù)欄高度1.6m，在高度1.1m 的F型坡面上方設(shè)置0.5m的豎直段，混凝土標(biāo)號(hào)為C30，墻體配筋為豎向鋼筋，直徑16mm，間距20cm，型號(hào)為HRB400；縱向鋼筋直徑10mm設(shè)置28根，型號(hào)為HPB300。鋼管樁基礎(chǔ)規(guī)格為140×4.5mm，長(zhǎng)度120cm，縱向間距為1m。

圖3 中分帶護(hù)欄設(shè)置

3 仿真碰撞分析

3.1 碰撞條件和安全性能指標(biāo)

根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》[3](JTG D81—2017)和《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》[1](JTG/T D81—2017)規(guī)定，中央分隔帶寬度小于2.5m并采用分設(shè)式護(hù)欄形式，設(shè)有車輛不能安全穿越的障礙物(包括照明燈、攝像機(jī)、交通標(biāo)志的支撐結(jié)構(gòu)、上跨橋的橋墩等設(shè)施)時(shí)，事故嚴(yán)重程度等級(jí)為“中”，中央分隔帶護(hù)欄的防護(hù)等級(jí)應(yīng)不低于SBm級(jí)。

仿真模型如圖4所示，混凝土護(hù)欄和聲屏障立柱按照實(shí)際尺寸和配筋建立仿真模型。按車輛實(shí)際尺寸建立有限元模型，車身結(jié)構(gòu)主要是薄壁金屬構(gòu)件，單元類型以擅長(zhǎng)大變形的四邊形單點(diǎn)積分殼單元為主，根據(jù)車輛與護(hù)欄的碰撞接觸情況，對(duì)車輛的不同部位采用不同的單元特征長(zhǎng)度劃分網(wǎng)格，在保證精度的前提下提高計(jì)算效率。用點(diǎn)焊連接，車門和車體通過(guò)鉸接點(diǎn)單元連接。碰撞仿真模擬計(jì)算采用國(guó)際上應(yīng)用廣泛的非線性顯式動(dòng)力學(xué)有限元分析程序LS-DYNA，采用基于懲罰函數(shù)法的Automatic_Single_Surface接觸類型解決邊界非線性問(wèn)題。

圖4 車輛碰撞護(hù)欄和聲屏障立柱有限元模型

3.2 安全性能仿真模擬

基于聲屏障處護(hù)欄較不利碰撞車型和碰撞時(shí)刻的分析，由于大型貨車碰撞護(hù)欄和聲屏障立柱過(guò)程中，貨廂前部均未與聲屏障立柱發(fā)生碰撞，因此車輛失控碰撞中分帶護(hù)欄的安全風(fēng)險(xiǎn)總體較低。為進(jìn)一步驗(yàn)證中分帶護(hù)欄設(shè)置方案的安全性，按照實(shí)際護(hù)欄和聲屏障立柱的設(shè)置情況進(jìn)行大型貨車碰撞全過(guò)程的仿真模擬。

大型貨車碰撞仿真模擬結(jié)果如圖5、圖6所示。車輛沒(méi)有穿越、翻越、騎跨護(hù)欄，沒(méi)有發(fā)生翻車、橫轉(zhuǎn)、掉頭現(xiàn)象，護(hù)欄混凝土出現(xiàn)壓碎破壞，車輛尾部碰撞聲屏障立柱時(shí)導(dǎo)致立柱輕微損壞，護(hù)欄構(gòu)件及其脫離件沒(méi)有侵入車輛乘員艙，車輛順利導(dǎo)出，輪跡滿足導(dǎo)向駛出框要求。

圖5 大型貨車輪跡導(dǎo)向駛出框

圖6 大型貨車碰撞后護(hù)欄和聲屏障立柱變形損壞

3.3 分析結(jié)論

根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》[1](JTG/T D81—2017)的規(guī)定，本項(xiàng)目路側(cè)護(hù)欄防護(hù)等級(jí)應(yīng)不低于SS級(jí)，中分帶護(hù)欄的防護(hù)等級(jí)應(yīng)不低于SBm級(jí)。原設(shè)計(jì)路側(cè)護(hù)欄的防護(hù)等級(jí)和車輛最大動(dòng)態(tài)外傾當(dāng)量值均滿足《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》[1](JTG/T D81—2017)要求。

對(duì)于中分帶護(hù)欄，碰撞護(hù)欄和聲屏障立柱的較不利車型是大型貨車，較不利碰撞時(shí)刻是大型貨車貨廂前部碰撞立柱。由于護(hù)欄高度1.6m，大于大型貨車貨廂底板高度，有效降低車輛碰撞護(hù)欄后的側(cè)傾，在不同碰撞點(diǎn)位置，貨廂前部均未與聲屏障立柱發(fā)生碰撞，車輛失控碰撞中分帶護(hù)欄的安全風(fēng)險(xiǎn)總體較低。

按照實(shí)際護(hù)欄和聲屏障立柱的設(shè)置情況進(jìn)行中型客車和大型貨車碰撞全過(guò)程的仿真模擬，車輛沒(méi)有穿越、翻越、騎跨護(hù)欄，沒(méi)有發(fā)生翻車、橫轉(zhuǎn)、掉頭現(xiàn)象，護(hù)欄混凝土出現(xiàn)壓碎破壞，大型貨車碰撞時(shí)聲屏障立柱輕微損壞，中型客車碰撞時(shí)聲屏障立柱無(wú)損壞，護(hù)欄構(gòu)件及其脫離件沒(méi)有侵入車輛乘員艙，車輛順利導(dǎo)出，輪跡滿足導(dǎo)向駛出框要求。

綜上所述，本項(xiàng)目聲屏障處路側(cè)護(hù)欄和中分帶護(hù)欄設(shè)置均滿足《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》[1](JTG/T D81—2017)的要求，車輛失控碰撞此處護(hù)欄以及聲屏障立柱的安全風(fēng)險(xiǎn)較低。