卜倩淼， 張宏松

(1.交通運輸部公路科學(xué)研究所，北京 100088； 2.北京中交華安科技有限公司, 北京 100088)

0 引言

護欄設(shè)計是交通安全設(shè)施設(shè)計的一個重要部分，但目前交通工程設(shè)計還主要處于解決符合標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求階段[1]。在對護欄等級進行選擇的時候，主要考慮到了路側(cè)危險程度、邊坡高度、設(shè)計速度等條件[2-5]，但在等級選擇之后，對于護欄型式的選擇就往往比較困惑，即同一防護等級的護欄，應(yīng)該如何選擇才能做到更加安全、美觀、經(jīng)濟性好并與項目相適用?，F(xiàn)行的《公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01-2013)[1]雖然給出了護欄的安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)，但無法對比同級別護欄的優(yōu)劣性，即在評價護欄安全性能的時候只是簡單地判定滿足或不滿足標(biāo)準(zhǔn)，在同一級別中無法比較優(yōu)劣，在護欄研發(fā)和鼓勵市場方面缺乏引導(dǎo)。

針對這一問題，本文提出了護欄星級評定指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)。并選取4種經(jīng)《公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》 (JTG B05-01-2013)[1]實車碰撞試驗驗證的A級護欄安全性能評價數(shù)據(jù)，采用星級評定方法分析4種護欄的安全性能，為護欄的選型提供參考，從而最大限度地發(fā)揮護欄本身的作用。

1 星級評定方法

1.1 評價指標(biāo)

本文提出的星級評定方法是將已通過我國《公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01-2013)[1]碰撞安全性能測試的護欄進行星級評分，評價結(jié)果按星級劃分并公開發(fā)布，旨在給予護欄使用者直觀、系統(tǒng)、客觀的護欄信息，為設(shè)計者提供選型依據(jù)。

在對護欄標(biāo)準(zhǔn)段、護欄過渡段和中央分隔帶開口護欄安全性能進行評價時，根據(jù)《公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01-2013)規(guī)定應(yīng)檢測其阻擋功能、緩沖功能、導(dǎo)向功能、護欄最大橫向動態(tài)變形值D、護欄最大橫向動態(tài)位移外延值W、車輛最大動態(tài)外傾值VI和車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值VIn[1,6-8]。

阻擋功能是指公路護欄阻擋碰撞車輛穿越、翻越和騎跨的能力。護欄應(yīng)能夠阻擋車輛穿越、翻越和騎跨，并試驗護欄構(gòu)件與其脫離件不得侵入車輛乘員艙。緩沖功能是指公路護欄降低對碰撞車輛和車內(nèi)乘員沖擊程度的能力。乘員碰撞速度的縱向與橫向分量均不得大于12 m/s，乘員碰撞后加速度的縱向與橫向分量均不得大于200 m/s2。導(dǎo)向功能是指公路護欄使碰撞車輛向行車方向順利導(dǎo)出并恢復(fù)運行狀態(tài)的能力。車輛碰撞后不得翻車。車輛駛出駛離點后的輪跡經(jīng)過特定的導(dǎo)向駛出框時不得越出橫向線。護欄最大橫向動態(tài)變形值D指車輛碰撞試驗護欄過程中，試驗護欄變形后迎撞面相對于其初始位置的最大橫向水平位移。護欄最大橫向動態(tài)位移外延值W指車輛碰撞試驗護欄過程中，試驗護欄變形后最外邊緣相對于試驗護欄碰撞前內(nèi)邊緣的最大橫向水平距離。車輛最大動態(tài)外傾值VI指大中型車輛(包括特大型客車)在碰撞試驗護欄過程中外傾時，車輛最外邊緣相對于試驗護欄碰撞前最內(nèi)邊緣的最大橫向水平距離。車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值(VIn)指實車足尺碰撞試驗測出的車輛最大動態(tài)外傾值(VI)按照車輛總高4.2 m換后的車輛最大動態(tài)外傾值。

綜上所述，在對護欄標(biāo)準(zhǔn)段、護欄過渡段和中央分隔帶開口護欄安全性能進行評價時，其指標(biāo)要求不光有定性分析，還存在定量分析。由于護欄通過《公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01-2013)定義防撞等級時已進行過定性分析，同一等級的護欄在定量分析指標(biāo)時的值不相同，并且定量指標(biāo)之間不重復(fù)。因此公路護欄安全性能星級評定時，僅對《公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01-2013)中的定量評價指標(biāo)打分。

由于阻擋功能的指標(biāo)和導(dǎo)向功能的“車輛碰撞后不得翻車”均為定性分析，故不計入星級評定指標(biāo)。緩沖功能針對乘員碰撞速度和乘員碰撞后加速度進行評分，導(dǎo)向功能針對車輛碰撞后的輪跡最外側(cè)與試驗護欄碰撞前迎撞面的橫向距離進行打分。由于護欄最大橫向動態(tài)變形值D與護欄最大橫向動態(tài)位移外延值W具有正相關(guān)性[9]，車輛最大動態(tài)外傾值VI與車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值VIn也具有正相關(guān)性，而W和VIn是護欄實際應(yīng)用時非常重要的使用指標(biāo)值，本文僅針對護欄最大橫向動態(tài)位移外延值W和車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值VIn進行評分[7-8]。

此外，護欄實車碰撞試驗時，實際碰撞能量一般會大于現(xiàn)行《公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)碰撞能量，實際碰撞能量越大，護欄的安全裕度越大[10]。因此，對同一防護等級的護欄安全性能進行星級評定時，應(yīng)根據(jù)大中型車輛的實際碰撞能量進行加分。

綜上所述，護欄標(biāo)準(zhǔn)段、過渡段和中央分隔帶開口護欄的安全性能星級評定時，其評價指標(biāo)為導(dǎo)向功能，緩沖功能，護欄最大橫向動態(tài)位移外延值W，車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值VIn，實車碰撞試驗實際碰撞能量。

1.2 評分標(biāo)準(zhǔn)

前文確定了護欄星級評定評價指標(biāo)，其中導(dǎo)向性能、護欄最大橫向動態(tài)位移外延值W(m)，車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值VIn(m)，均對一個指標(biāo)進行分析，緩沖功能對乘員碰撞后的速度和加速度2個指標(biāo)進行分析。5個指標(biāo)同等重要，依據(jù)重要性一致原則，設(shè)定護欄標(biāo)準(zhǔn)段、過渡段和中央分隔帶開口護欄的安全性能星級評定基礎(chǔ)分滿分100分，每個指標(biāo)占20分。附加分10分，為碰撞能量加分。因此，安全性能評價指標(biāo)滿分110分，包括基礎(chǔ)分100分，其中導(dǎo)向功能 20分,緩沖功能(車輛碰撞后乘員的速度和加速度)40分,護欄最大橫向動態(tài)位移外延值W(m) 20分,車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值VIn(m)20分；附加分10分，其中實車碰撞試驗實際碰撞能量加分10分。

a.安全性能。

① 導(dǎo)向功能。

車輛碰撞后的輪跡最外側(cè)與試驗護欄碰撞前迎撞面的橫向距離X如圖1所示。

圖1 護欄標(biāo)準(zhǔn)段的車輛輪跡導(dǎo)向駛出框

圖1中直線P為試驗護欄碰撞前迎撞面最內(nèi)邊緣的地面投影線；直線F與直線P平行且間距為A；直線F起點位于駛離點在直線F上的投影點，長度為B。參數(shù)A和B的取值見表1。

表1 參數(shù)A和B的取值Table 1 Value A and B碰撞車型A/mB/m小型客車2.2+Vw+0.16VL10中型客車(包括特大型客車)、大中型貨車4.4+Vw+0.16VL20注: VW為車輛總寬,m;VL為車輛總長,m。

車輛碰撞試驗護欄導(dǎo)出后離開駛出框過程中，X值應(yīng)小于表1中的A值。當(dāng)X不大于最外側(cè)車道寬度與硬路肩寬度之和或最內(nèi)側(cè)車道寬度、左側(cè)路緣帶寬度與C值之和或最內(nèi)側(cè)車道寬度與最內(nèi)側(cè)車道邊緣線到中央分隔帶活動開口護欄迎撞面的距離之和時，碰撞車輛不會對其他車道內(nèi)正常行駛車輛造成影響。根據(jù)現(xiàn)行公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范和細則對護欄防護等級選取的規(guī)定，基于最不利原則，假定試驗護欄設(shè)置于其防護等級對應(yīng)的最低技術(shù)等級道路上，采用《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2014)對該等級道路規(guī)定的車道寬度、左側(cè)路緣帶寬度、硬路肩寬度、C值的最小值進行設(shè)置，確定了路側(cè)、中央分隔帶和中央分隔帶開口護欄較優(yōu)X的最大值(Xopt-max)，如表2所示。

表2 Xopt-max的取值Table 2 Value Xopt-max護欄設(shè)置位置防護等級Xopt-max/m一級(C級)、二級(B級)3.0三級(A級)3.5路側(cè)四級(SB級)3.75五級(SA級)4.5六級(SS級)、七級(HB級)、八級(HA級)5.0二級(Bm級)、三級(Am級)、四級(SBm級)4.25中央分隔帶五級(SAm級)4.5六級(SS級)、七級(HB級)、八級(HA級)5.0二級(Bm級)、三級(Am級)、四級(SBm級)4.0+(1.5-WU)/2中央分隔帶開口五級(SAm級)4.25+(1.5-WU)/2六級(SS級)、七級(HB級)、八級(HA級)4.5+(2-WU)/2 注: WU為中央分隔帶開口護欄的整體寬度。

導(dǎo)向功能評分規(guī)則如下：針對小型客車：當(dāng)Xopt-max<2.2+VW+0.16VL時，X≤Xopt-max，單項分值得滿分20分，X=2.2+VW+0.16VL，單項分值得1分，Xopt-max

導(dǎo)向功能單項得分=試驗各車型對應(yīng)的護欄導(dǎo)向功能評分最小值。

② 緩沖功能。

《公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01-2013)對小型客車中的乘員碰撞后的速度和加速度均作出要求，具體如下:Vx≤12 m/s，Vy≤12 m/s ，ax≤200 m/s2，ay≤200 m/s2。將此作為緩沖功能最低分值時的各分項值。

統(tǒng)計大量實車碰撞試驗記錄數(shù)據(jù)，取累計百分比為15%對應(yīng)的速度值和加速度值，如圖2和圖3所示，分別為Vx=3 m/s、Vy=2 m/s、ax=30 m/s2、ay=30 m/s2，將15%對應(yīng)的速度和加速度值作為緩沖功能最高分值時的各分項值。

圖2 速度分項統(tǒng)計表

圖3 加速度分項統(tǒng)計表

對小型客車中的乘員碰撞后的速度和加速度打分，4項分項滿分分別為40分，其中Vx和Vy分項得分低者為緩沖功能項的速度得分，ax和ay分項得分低者為緩沖功能項的加速度得分；此單項滿分40分。

Vx≤3 m/s，分項分值得滿分20分，Vx=12 m/s，分項分值得1分，3 m/s

Vy≤2 m/s，分項分值得滿分20分，Vy=12 m/s，分項分值得1分，2 m/s

ax≤30 m/s2，分項分值得滿分20分，ax=200 m/s2，分項分值得1分，30 m/s2

ay≤30 m/s2，分項分值得滿分20分，ay=200 m/s2，分項分值得1分，30 m/s2

緩沖功能單項得分=min(Vx得分，Vy得分)+ min(ax得分，ay得分)

b.小型客車、大型客車和大型貨車碰撞護欄時，使護欄產(chǎn)生最大橫向動態(tài)位移外延值W越大，對行車越不利。

剔除實車試驗車輛重量、碰撞速度和碰撞角度的誤差影響，對護欄最大橫向動態(tài)位移外延值W的試驗值進行修正，對修正后的護欄最大橫向動態(tài)位移外延值W分等級評分[7-8]。

將實驗測得的W進行修正[8]：

WN=WU+(Wm-WU)×

(1)

式中：WU為護欄寬度，m；Wm為護欄最大橫向動態(tài)位移外延值W，m;Mt為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定車輛重量,kg；Vt為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定碰撞速度，m/s；αt為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定碰撞角度,(°)；Mm為試驗車輛重量,kg;Vm為試驗碰撞速度,m/s;αm為試驗碰撞角度,(°)。

記錄小型客車、大型客車和大型貨車的護欄最大橫向動態(tài)位移外延值W，單項得分為20分，取不同車型碰撞下得分最低值為該單項得分。

將修正后的WN分為9級[7-8]，各等級得分如表3所示。

表3 護欄最大橫向動態(tài)位移外延值W評分標(biāo)準(zhǔn)Table 3 Scoring standard for W等級修正后的WN值/m分項得分W1≤0.620W2>0.6且≤0.818W3>0.8且≤1.016W4>1.0且≤1.314W5>1.3且≤1.710W6>1.7且≤2.16W7>2.1且≤2.54W8>2.5且≤3.52W9>3.50

護欄最大橫向動態(tài)位移外延值W單項得分=試驗各大型車對應(yīng)的最大動態(tài)外延值W評分最小值。

c.車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值VIn(m)越大，護欄使用越受限。對車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值VIn進行修正，對修正值按等級評分。

將試驗測得的VIn進行修正[8]：

(2)

式中：VIN為修正后的車輛最大動態(tài)外側(cè)當(dāng)量值,m;VIm為試驗車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值VIn，m；Mt為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定車輛重量,kg;Vt為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定碰撞速度,m/s;αt為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定碰撞角度，(°)；Mm為試驗車輛重量，kg;Vm為試驗碰撞速度,m/s;αm為試驗碰撞角度,(°)。

記錄大型客車和大型貨車的車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值VIn，單項滿分20分，取不同車型碰撞下得分最低值為該單項得分。

將VIN分為9級[7-8]，各等級得分如表4所示。

表4 車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值VIn評分標(biāo)準(zhǔn)Table 4 Scoring standard for VIn等級修正后的VIn值/m分項得分VI1≤0.620VI2>0.6且≤0.818VI3>0.8且≤1.016VI4>1.0且≤1.314VI5>1.3且≤1.710VI6>1.7且≤2.16VI7>2.1且≤2.54VI8>2.5且≤3.52VI9>3.50

車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值VIn單項得分=試驗各大型車對應(yīng)的最大動態(tài)外傾當(dāng)量值VIn評分最小值。

d.實際碰撞能量加分。

對護欄實車碰撞試驗的大中型車輛進行實際碰撞能量計算[11-12]，當(dāng)實際碰撞能量等于現(xiàn)行《公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01)規(guī)定的相應(yīng)等級設(shè)計防護能量E時，該項得0分;當(dāng)實際碰撞能量Em達到JTG B05標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各項指標(biāo)容許誤差的上限計算所得上限防護能量EL時[1]，得10分，中間分項分值采用Et和EL線性插值的方法得出。實際碰撞能量最多加10分，取各種大中型車輛加分的大值。Et為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定設(shè)計防護能量,kJ;Em為實際碰撞能量,kJ;EL為上限防護能量,kJ。

碰撞能量計算公式：

(3)

式中：E為垂直作用于護欄的碰撞能量,kJ；M為汽車質(zhì)量,kg；V為碰撞速度,m/s；α為碰撞角度,(°)。

1.3 護欄星級分級

護欄標(biāo)準(zhǔn)段、護欄過渡段和中央分隔帶開口護欄的安全性能星級按綜合評分劃分為五級，見表5。

表5 護欄標(biāo)準(zhǔn)段、護欄過渡段和中央分隔帶開口護欄安全性能星級劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 5 Star-rating evaluation of standard sections of high-way barriers、transition sections of highway barri-ers and highway barriers of median opening分?jǐn)?shù)星級分?jǐn)?shù)星級<40分一級(★)≥75分且<90分四級(★★★★)≥40分且<60分二級(★★)≥90分五級(★★★★★)≥60分且<75分三級(★★★)

2 公路護欄安全性能星級評定案例

2.1 典型護欄案例選取

采用星級評定方法對4種通過A級(160 kJ)實車足尺碰撞試驗驗證的護欄標(biāo)準(zhǔn)段進行星級評定，《公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01-2013)[1]規(guī)定的A級護欄的設(shè)計防護能量是160 kJ，試驗碰撞條件[1,13]如表6所示，4種護欄形式如圖4所示。

表6 防護等級A級的試驗碰撞條件Table 6 Impact test conditions of protection level A防護等級碰撞車型車輛總質(zhì)量/t碰撞速度/(km·h-1)碰撞角度/(°)小型客車1.510020160 kJ中型客車106020中型貨車106020

(a) A級三波護欄

2.2 星級評定結(jié)果分析

對4種護欄各單項得分和附加分列表對比分析，如表7所示。4種護欄星級評定結(jié)果為：A級三波護欄★★、A級鋼背竹景觀護欄★★★、A級梁柱式護欄★★★★、A級直墻式混凝土護欄★★★★★。

A級三波護欄總得分較低，主要是由于貨車試驗碰撞過程中，護欄最大橫向動態(tài)位移外延值W為1.35 m，車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值VIn為2.73 m(如圖5所示)，導(dǎo)致這2項評分相對較低。因此，A級三波護欄主要適用于路側(cè)障礙物距離護欄較遠的路段，亦可適用于貨車比例較小的路段。

圖5 貨車運行軌跡

A級鋼背竹護欄客車在碰撞后駛離護欄時，駛出角度較大，中型客車碰撞后的輪跡最外側(cè)與試驗護欄碰撞前迎撞面的橫向距離X為5 m(見圖6)，其導(dǎo)向功能得分為13.62分，可應(yīng)用于外側(cè)車道較寬或者交通量不大的景區(qū)公路或旅游公路。

表7 護欄星級評定結(jié)果對比分析Table 7 Star-rating evaluation results護欄單項得分導(dǎo)向功能緩沖功能護欄最大橫向動態(tài)位移外延值W車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值VIn碰撞能量加分總分星級 三波20 25.561020.4157.98★★鋼背竹13.6229.4714141.6772.76★★★梁柱式20 19.6020142.5876.18★★★★直墻型混凝土20 29.2820201.1890.46★★★★★

圖6 中型客車運行軌跡

A級梁柱式護欄各單項均衡得分，護欄星級四級(★★★★)，其安全防護性能較優(yōu)。護欄下部采用混凝土基座，可適用于具有現(xiàn)場澆筑混凝土條件、同時對護欄安全性能要求相對較高路段。

A級直墻型混凝土護欄，各項指標(biāo)均表現(xiàn)優(yōu)秀，護欄星級五級(★★★★★)，其安全防護性能高，對安全性能要求高的路段可優(yōu)先選用[14-15]。

星級評定結(jié)果與護欄實車足尺碰撞試驗結(jié)果表現(xiàn)一致，星級評定方法為護欄選型提供了依據(jù)。

3 總結(jié)

a.本文提出護欄安全性能星級評定方法，研究確定星級評分指標(biāo)和評分標(biāo)準(zhǔn)，以及等級劃分方式。

b.根據(jù)護欄安全性能星級評定方法，進行了幾種A級護欄的安全性能星級評價，得到：A級三波護欄★★、A級鋼背竹景觀護欄★★★、A級梁柱式護欄★★★★、A級直墻式混凝土護欄★★★★★。通過對幾種護欄的實車碰撞試驗過程和結(jié)果深入分析可知，星級越高的護欄，安全性能越高，適用性越好。進而驗證了星級評定指標(biāo)選取與評分標(biāo)準(zhǔn)劃分的合理性，及星級評定方法的有效性。該方法將護欄安全性能更直觀地表現(xiàn)出來，方便設(shè)計人員優(yōu)選護欄，促進護欄行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展和技術(shù)升級。