安全護欄開發成功西部交通建設科技項目“公路陡崖峭壁護欄的開發研究”——研究報告簡本二○○三年八月目錄引言 11 項目研究目的意義 12 國內外研究概況 23 重要研究內容與實驗工程 33.1重要研究內容 33.2實驗工程 34 碰撞實驗條件和評價標準 34.1碰撞實驗條件 34.2評價標準 45 高速公路混凝土護欄的開發 45.1 座椅式基礎的擬定 45.2 護欄結構形式選擇 55.3 護欄結構強度與穩定性計算 65.4 實車碰撞實驗 95.5混凝土護欄設計方法 136 一般公路混凝土護欄的開發 136.1 護欄結構形式 136.2 護欄結構設計 146.3 實車碰撞實驗 147 高速公路鋼護欄的開發 167.1鋼護欄碰撞力的計算方法 167.2鋼護欄結構形式 177.3鋼護欄的強度設計 197.4實車碰撞實驗 197.5鋼護欄設計方法 218 效益分析及推廣應用前景 228.1技術效益 228.2經濟指標 228.3社會效益 228.4應用前景 23

防止公路陡崖峭壁路段墜車事故的安全護欄開發成功引言在西部大開發的新形勢下，西部地區的公路建設得到了迅速發展，高等級公路向山嶺重丘區延伸，交通安全問題也日益突出。一般公路缺少安全設施，車輛墜落陡崖的事故頻繁發生；高速公路按照現行規范設立的安全護欄防護能力相對局限性，也存在著嚴重的安全隱患，車輛越出護欄的墜車事故屢有發生。為減少或避免車輛墜崖惡性交通事故損失，提高山區公路交通的安全性和運營效益，交通部在2023年西部交通建設科技項目計劃中立項開展“公路陡崖峭壁護欄的開發研究”。該項目于2023年終已按協議規定完畢，成功開發出了三種用于山區公路陡崖峭壁路段的安全護欄，于2023年7月通過了交通部組織的專家技術鑒定，專家認為：本項目填補了我國山區公路陡崖峭壁路段護欄研究的空白，研究成果處在國內領先水平，其中，陡崖峭壁護欄的系統設計方法達成了國際先進水平。新型護欄已在云南省昆明-石林和元江-磨黑兩條高速公路危險路段及兩條一般公路事故多發路段應用。項目研究目的意義近年來，我國公路交通事業取得了舉世矚目的成就。截止2023年終，我國高速公路里程已達2.52萬公里，躍居世界第二位。但是，隨著公路運送事業的發展，我國交通事故狀況也日趨惡化，特別是近幾年來，交通事故率和事故損失急劇上升。據公安部交通管理部門記錄，2023年共發生交通事故77.3萬起，死亡人數達成10.9萬人，經濟損失達成33.2億元。這些交通事故中，死于公路交通事故的人數約占80%，而在公路交通事故中，有許多是發生在山區公路上的，特別是發生在陡崖峭壁路段的墜車事故，經常導致車毀人亡的慘重損失。本項目成果，為我國山區公路陡崖峭壁危險路段提供了安全可靠、經濟實用的護欄結構形式及其設計方法，可有效地攔阻失控車輛墜落懸崖，減少或避免生命和財產損失，具有重大的經濟效益和社會效益。同時，本項目成果填補了我國山區公路危險路段護欄技術研究的空白，為完善我國公路護欄結構體系，以及為制（修）訂相關技術規范提供科學數據等方面，也都有其重要的學術價值。國內外研究概況美國從192023開始護欄研究工作，是研究最早、最進一步的國家之一。1962年，在美國聯邦公路管理局與國家運送部支持下，美國公路聯合會組織相關科研機構等開始實行《全國高速公路合作研究計劃（NCHRP）》，系統地開展安全護欄的研究，幾乎每個州都有護欄碰撞實驗場，開發出許多性能良好的護欄結構，如H型立柱三波梁鋼護欄、木質與復合材料托架、新澤西和單坡面混凝土護欄等，并不斷修改完善公路護欄的標準、規范，與1993年頒布了新的護欄技術規范《350報告》。在歐洲，法國、英國、德國等國家也早就開始了護欄的研究工作，建立了實驗設施和實驗規程，設計出多種結構形式的護欄，目前正進行標準的統一工作。日本于20世紀50年代在名神高速公路開始使用護欄，在1965年制定了護欄設立綱要，明確規定護欄的使用范圍、功能規定、結構設計和施工安裝方法，1998年，日本道路協會頒布實行了護欄設立的新標準，代替使用26年（1973年編制）的護欄設立綱要，提高了護欄的防護標準。但尚未見到國外有關對陡崖峭壁危險路段護欄進行專門研究的資料。我國“七五”期間開始高速公路護欄設計、施工等方面的研究，交通部科學研究院公路科學研究所與清華大學等單位合作，研究開發了波形梁Z型立柱護欄等鋼護欄。但是，迄今為止我國尚沒有對護欄進行過系統的研究，研究的領域不夠廣泛，自主開發的護欄結構形式也很少，實驗研究護欄的基礎裝備和技術力量與發達國家存在一定的差距。重要研究內容與實驗工程3.1重要研究內容本項目重要研究內容涉及四個方面：公路陡崖峭壁護欄碰撞實驗條件的研究；公路陡崖峭壁護欄評價標準的研究；陡崖峭壁護欄結構參數及其防撞性能的研究；實車足尺碰撞驗證實驗。3.2實驗工程新型高速公路陡崖峭壁護欄的實驗工程在昆（明）-石（林）和元（江）-磨（黑）兩條高速公路上實行，共修建12.5公里的實驗工程。一般公路新型混凝土護欄，在云南開遠公路管理總段境內的326國道和新（哨）-丘（北）線三級路上修建430米實驗工程。碰撞實驗條件和評價標準4.1碰撞實驗條件車輛碰撞護欄時，對護欄的作用力取決于車輛的質量、碰撞速度以及車輛與護欄縱軸線間的夾角，這三個因素即護欄的設計條件，也是進行實車碰撞實驗的技術條件。在分析國內外調查資料的基礎上，并結合現行有關標準擬定了我國山區公路護欄的碰撞實驗條件，如表4-1所示。表4-1山區公路碰撞實驗條件車型高速公路一般公路車質量(t)碰撞速度(km/h)碰撞角度(°)車質量(t)碰撞速度(km/h)碰撞角度(°)小客車1.580201.56020大客車146014404.2評價標準評價標準是用來判斷護欄結構是否滿足安全評價標準規定的相關指標，本項目的護欄評價標準為：結構防護能力：車輛不得越出護欄；乘員安全風險：在系安全帶的情況下，乘員縱向最大加速度（10ms最大平均值）不大于20g；車輛運營軌跡：車輛的駛出角度不大于碰撞角度的60%。一般不駛入相鄰車道。高速公路混凝土護欄的開發座椅式基礎的擬定對于修建在高擋墻、高路堤上的護欄，其安全性重要取決于護欄基礎的穩固性，因此，合理的選擇護欄基礎形式成為陡崖峭壁護欄結構開發的關鍵。通過理論分析和模型實驗結果，優選擬定了座椅式的基礎形式。座椅式基礎的腿部伸入到路面基層中，運用路面基層對基礎腿部位移產生的抗力來提高護欄的傾覆穩定性，受力形式合理。護欄護欄路面基礎路面基礎路面基層擋土墻路面基層擋土墻基礎腿部基礎腿部圖5-1 座椅式基礎形式護欄結構形式選擇根據以往護欄實踐經驗，從陡崖峭壁護欄對安全性能的規定和便于施工兩方面考慮，擬定了陡崖峭壁混凝土護欄的基本形式為頂部設有阻爬坎的單坡面墻式護欄，見圖5-2。圖5-2陡崖峭壁混凝土墻式護欄基本形式在基礎穩固的條件下，護欄的防撞能力和導向功能重要取決于護欄的高度、迎撞面坡度和斷面強度。5.2.1護欄迎撞面坡度的選定護欄的迎撞面坡度以坡面線與垂線的夾角來表達，通過動態數模擬計算進行優選，并通過13°和11°兩種坡面護欄實車碰撞實驗的檢查，從車輛導向和乘員沖擊加速度綜和效果分析，11°坡面優于13°坡面。因此，本項護欄迎撞面坡度選用11°。5.2.2護欄高度的擬定護欄高度是護欄的一項重要參數，與車輛的重心高度、碰撞能量、護欄的坡面形式等諸多因素有關，參照國內外的經驗，我們取護欄的高度為100cm。5.2.3座椅式護欄結構通過以上護欄各部分結構形式和重要參數的選擇，擬定了陡崖峭壁路段混凝土護欄的斷面結構如圖5-3所示。擋土墻擋土墻護欄基礎圖5-3座椅式護欄斷面形式護欄結構強度與穩定性計算5.3.1碰撞力計算方法鑒于現行規范中所提供的碰撞力公式計算結果與實際有較大差距，本項目研究提出了建立在單自由度計算模型上的混凝土護欄碰撞力公式。圖5-4單自由度模型圖5-4單自由度模型(式5-1)單自由度模型中車輛的運動方程為：(式5-1) 則最大碰撞力為：(式5-2)式中：m——車輛總重量（kg）；k——汽車的彈性模量（N/m）；V——速度的橫向分量（m/s）。k的取值對計算結果的影響很大，通過對國內外大量足尺實驗資料的回歸分析，得到以下的經驗計算公式：k=（0.0003*m0*θ+0.0121*m0+0.5517*θ+164.7978）╳1000（N/m）式中：θ——初始碰撞角（o）；m0——車輛自重（kg）；其余符號同上式。我們把用此公式計算的結果同現行交通安全規范（JTJ074-94）[1]說明中提供的實驗值及福建省“高速公路橋梁護欄的研究開發”項目中的實測碰撞力進行了比較，列于表5-1、5-2，其計算值與碰撞實驗所得實測值比較接近，表白了此公式的可靠性和實用性。表5-1計算值與規范說明中實驗值的比較(單位：kN)計算方法質量(kg)布盧姆實驗值布什實驗值本公式計算值2043133.4124.5141.99080311.4373.6374.218160667.2667.2640.73178011121029.9表5-2計算值與福建橋梁護欄實驗結果比較項目實驗序號自重(kg)總重(kg)碰撞速度(km/h)碰撞角度(°)實測力(kN)本公式計算值(kN)11400202391.521.6192.4188.429730180008121.1589.1648.23135020239519.2176.4173.444350202306420.5443.2445.159120180007919.9536584.8613000202308621.1797.6784.55.3.2護欄結構強度與穩定性驗算碰撞力按照碰撞條件：14t大客車、碰撞速度60km/h，碰撞角度20°，由式5-2得出護欄橫向碰撞力為265.8kN。護欄配筋設計護欄的配筋設計按照《鋼筋混凝土橋梁設計規范》中懸臂板的設計方法進行，豎向筋為受力筋，橫向鋼筋為結構筋。根據福建橋梁護欄的研究成果：碰撞力的作用高度取0.87m，碰撞力的分布寬度取5.76m。計算結果：受拉區鋼筋面積計算值為3.28cm2，取鋼筋直徑為12mm、間距0.2m，實際鋼筋面積為5.66cm2/m。外側鋼筋與架立鋼筋按照結構規定配置，分別為12mm和8mm的鋼筋。基礎與護欄采用相同規格數量的主筋。基礎及護欄結構的抗剪強度驗算滿足規定。穩定性驗算實車碰撞實驗5.4.1實驗情況實車碰撞實驗在北京深華科公司昌平交通工程實驗場進行。照片5-1實驗場全景本項護欄進行了兩期實驗，一期護欄坡面為13°，從安全上考慮護欄主筋采用了Φ14mm，基礎腿部間隔設立，進行了2部小轎車和2部大客車的碰撞實驗，實驗結果表白：所設計的座椅式混凝土護欄可以有效地阻止車輛沖越護欄；但護欄剛度偏大，車輛運營軌跡也不夠抱負。為此，對護欄結構做了改善，坡面改為11°，護欄主筋改用Φ12mm，并為便于施工將護欄基礎腿部改為連續設立，進行了二期實驗。二期實驗共進行了六次，實驗情況見表5-3。表5-3混凝土護欄二期碰撞實驗情況匯總表實驗序號項目內容第1次第2次第3次第4次第5次第6次(破壞性)車型小轎小轎大客小轎大客大貨總質量（t）1.51.5141.51420碰撞速度(km/h)796163818286碰撞角度（°）21.426.319.619.921.219.9駛出角度（°）5.716.8404.300最大位移（mm）2.101,6293.714.34158.8/縱向最大加速度頭部9.9618.34.6414.758.68/胸部6.210.892.836.253.91/續表5-3混凝土護欄二期碰撞實驗情況匯總表車輛軌跡護欄損壞車輛損壞注：加速度為縱向10ms最大平均值（g）。5.4.2實驗結果分析實驗結果表白：1）從兩期實驗的護欄變位、應變和乘員加速度實測值的比較可以看出，二期護欄結構剛度明顯減少，見表5-4和表5-5。表5-4一、二期實驗測試結果對比項目實驗速度(km/h)角度(o)能量(kJ)最大位移(mm)一期第4次大客63.820.627217.70136二期第3次大客63.019.624193.71241表5-5一、二期乘員加速度實驗測試結果對比項目小轎車最大縱向加速度（g）大客車最大縱向加速度（g）頭部胸部頭部胸部一期護欄12.6818.215.728.94二期護欄14.756.254.642.832）小轎車和大客車乘員所受到的沖擊加速度所有在20g以下，滿足評價標準的規定。3）照片5-2小轎車沿本車道駛出軌跡照片5-3大客車碰撞后沿護欄向前滑行4）護欄防撞能力滿足設計規定。護欄的防撞能力取決于大客車的碰撞能量，第3次大客車實驗按照設計實驗條件碰撞（碰撞能量224kj），護欄有效地將車輛攔住沒有越出，最大位移9.37cm，護欄主體沒有破壞，只是擋坎局部破碎，只需局部修補，仍可繼續使用。見照片5-4及圖5-3。圖5-3護欄背面裂縫 照片5-4護欄擋坎局部破碎5）護欄有足夠的安全儲備。為了檢查護欄的安全度，對在設計條件下碰撞已受到損傷的護欄，進行了超負荷的第5次實驗，將車速提高到80km/h，碰撞能量達474.94kJ，比設計條件提高了一倍。實驗結果表白：護欄仍然有效地將車輛擋住并順利導出，護欄主體結構沒有發生破壞，擋土墻也完好無損，只是護欄背面裂縫增多。見圖5-4及照片5-5、5-6。圖5-4護欄背面裂縫情況照片5-5擋坎局部破碎 照片5-6超載碰撞后擋墻完好為了探明護攔的極限能力，最后又用20t的大貨車（太脫拉）以86km/h、19.9°碰撞角，碰撞能量661kJ（為設計條件的2倍），進行破壞性實驗。實驗結果：護攔仍然沒有被撞壞，還可以將大貨車攔住并順利導出，但護欄已有較大損傷，基礎與路面接縫開裂。我們認為，已接近破壞，此時護欄的抗撞能力達成了極限狀態。見照片5-7、5-8。照片5-7大貨車碰撞護欄損傷狀況照片5-8 基礎與路面間裂開5.4.3實驗結論根據以上分析，我們認為：該座椅式混凝土護欄，在結構強度和穩定性上都滿足了設計防撞能力的規定，可以有效地阻止車輛沖出或翻越護欄，并具有較好的導向功能，乘員所受到的加速度也都控制在允許范圍內，各項安全指標均滿足評價標準規定。5.5混凝土護欄設計方法通過對高速公路混凝土護欄研究過程的歸納分析，我們得到了混凝土護欄設計的方法環節如下：擬定護欄的高度。通過動態數值模擬軟件的模擬實驗擬定護欄的內側坡面形式。應根據實際的道路條件來選擇擬定護欄的基礎形式。護欄的結構強度設計與穩定性驗算。采用上述方法設計的護欄在投入使用之前，必須通過實車碰撞實驗的驗證，以保證護欄的防護性能可以達成設計規定。一般公路混凝土護欄的開發一般公路混凝土護欄的內坡面形式和基礎形式應用了高速公路混凝土護欄的研究成果，結構強度設計與高速公路混凝土護欄的方法相同。開發也經歷了兩個階段，一期護欄剛度偏大，成本較高，二期實驗對護欄結構進行了改善。護欄結構形式一般公路混凝土護欄也采用座椅式護欄的基本形式，護欄迎撞面采用單坡面，坡度為11°，護欄高度為90cm，頂部不設立阻爬坎，基礎高度為40cm，護欄的斷面形式見圖6-1所示。圖6-1一般公路混凝土護欄結構形式護欄結構設計設計參數如下：按照14t大客車、碰撞速度40km/h、碰撞角度20°的設計條件，計算得到設計橫向碰撞力為：177.2kN。碰撞力的作用高度為0.87m。碰撞力的分布寬度為5.76m。計算得知，受拉區鋼筋面積計算值為2.78cm2。采用II級鋼筋，直徑為10mm、間距為0.25m，則實際的鋼筋面積為3.14cm2/m。基礎與護欄仍采用相同的主筋，護欄結構的穩定性驗算滿足規定。實車碰撞實驗6.3.1實驗概況，見表6-1。表6-1 實測實驗參數實驗編號碰撞車型質量(kg)碰撞速度(km/h)碰撞角度(°)碰撞能量(kJ)一期實驗1-1小客車1,5005819.822.341-2大客車14,0005320.1179.21-3小客車1,5008320.147.08續表6-1實測實驗參數1-4大客車14,0006419.8253.851-5大客車14,0008020.8435.9二期實驗2-1大客車14,0004219.6107.212-2大客車14,0006120.3241.916.3.2實驗結果分析1．二期護欄的整體強度和穩定性足夠，將車輛有效攔住并順利導出，滿足了安全防護規定。護欄頂局部損壞形態見照片6-1、6-2。照片6-1、6-2護欄局部損壞2．二期護欄的結構強度和剛度比一期護欄有了明顯的減少。3．在設計條件下，乘員所受到的沖擊加速度所有在安全標準規定的范圍內。4．車輛運營軌跡，所有車輛的駛出角度均遠小于碰撞角度的60%，護欄的導向能力很好。6.3.5實驗結論所開發的一般公路陡崖峭壁混凝土護攔具有較強的防撞能力，可以有效地阻止車輛越出護攔，安全可靠，導向功能好，對乘員的沖擊滿足評價標準的規定，可以在山區一般公路的危險路段上使用。高速公路鋼護欄的開發一方面對鋼護欄的設計方法進行研究，提出了鋼護欄碰撞力的計算方法，并對鋼護欄進行結構強度設計。然后通過動態有限元數值模擬計算分析對護欄防護結構方案進行優選，最后通過實車足尺碰撞實驗驗證其防護性能。7.1鋼護欄碰撞力的計算方法提出了新的鋼護欄碰撞力計算方法。在忽略護欄自身質量的情況下，將車輛與護欄的碰撞簡化為雙彈簧單自由度系統，如圖7-1。圖7-1鋼護欄碰撞圖式模型圖7-1鋼護欄碰撞圖式模型根據作用力與反作用力定律和能量守恒定律得到如下方程組：， (式7-1)。根據護欄設立的實際條件擬定鋼護欄的最大允許橫向位移，車輛模量采用與本文混凝土護欄碰撞力計算中相同的公式，進而計算出碰撞力。最大碰撞力的計算公式為：(式7-2)式7-1、7－2中：Fmax——最大碰撞力（N）；k1——護欄的彈性模量（N/m）；k2——汽車的彈性模量，由下式進行計算：k2=（0.3*m0*θ+12.1*m0+551.7*θ+164797.8）（N/m）；7.2鋼護欄結構形式7.2.1鋼護欄結構形式選擇為滿足陡崖峭壁護欄防撞能力的規定，選用座椅式混凝土基礎的三波梁、H型立柱鋼護欄，護欄總高度采用95cm。護欄斷面結構見圖7-2。一期護欄設計中，出于防止車輛絆阻的考慮，防阻塊采用了350cm寬的H型鋼；二期設計中采用了寬度4cm的∏型簡易托架，并對這種形式的護欄結構進行了動態數值模擬分析。圖7-2鋼護欄結構斷面圖7.2.2鋼護欄結構的動態數值模擬按照碰撞實驗條件的規定，本項目用PAM-CRASH動態有限元程序對大客車和小客車碰撞鋼護欄的狀況進行了模擬分析，重要從車輛運營軌跡方面來考察護欄的防護性能。1）大客車（14t、60km/h、20°）從模擬的結果來看，護欄可以有效地攔阻車輛，車輛可以順利駛出，護欄設計可以滿足評價標準的規定。車輛的運營軌跡見圖7-3。圖7-3 車輛的運營軌跡數值模擬中護欄的最大變形為588mm，前后輪都有絆阻，使立柱局部變形，車輪從立柱上軋過，圖7-4是車輛與立柱的位置關系圖。圖7-4 車輛與立柱的位置關系圖2）小客車（1.5t、80km/h、20°）模擬結果表白：護欄可以將車輛導出，但車輪已經碰上立柱，產生絆阻，立柱產生了較大的屈曲變形，如圖7-5所示。圖7-5小轎車車輪與立柱碰撞形態7.3鋼護欄的強度設計7.3.1假設護欄變形后的形狀為一圓弧形。見圖7-6。圖7-6鋼護欄變形示意圖最大位移與最近立柱之間橫梁與縱向夾角為θ0=2θ。作用范圍內立柱和相鄰的兩立柱共同承擔護欄的橫向力，其中相鄰的兩立柱承受作用力不大于彈性極限力。護欄設計碰撞力為：Fdes=Fmax/1.4。7.3.2護欄結構強度設計結果考慮到陡崖峭壁路段十分危險，路側允許車輛駛入的空間較小，我們取護欄的最大允許橫向位移為0.7m，并根據控制護欄強度設計的碰撞實驗組合：大客車、14t、60km/h、20°進行結構強度設計。護欄結構強度設計的結果是：三波梁板厚度采用4mm，立柱采用150*100的H型柱，間距2m，拼接螺栓采用12個Φ16的高強螺栓，連接螺栓采用至少2個Φ16的普通螺栓。考慮到路肩寬度有限，雖會有絆組發生，仍采用∏型簡易托架。7.4實車碰撞實驗7.4.1總體概況鋼護欄也經歷了兩階段碰撞實驗，二期護欄共進行了三次實驗，實驗總體情況見表7-1。表7-1 鋼護欄碰撞實驗實測參數實驗編號碰撞車型質量(kg)碰撞速度(km/h)碰撞角度(°)碰撞能量(kJ)1大客車14,0006519.4251.782大客車14,0006219.8230.613小客車1,5008320.448.447.4.2實驗結果分析1）護欄變形情況護欄變形仍是圓滑曲線，見圖7-7。第1~3次實驗中，護欄的最大橫向位移分別為755mm、750mm和35mm。護欄的最大橫向位移量可以滿足防止車輛越出路肩的規定。圖7-7 護欄的變形情況由照片7-1、7-2可以看出，護欄較好的發揮了變形吸能的作用。照片7-1、7-22）車輛運營軌跡從表7-2三次實驗的情況來看，護欄對車輛的導向功能滿足規定。表7-2車輛運營軌跡情況實驗序號123車型大客大客小客駛出角(o)9.17.24.3碰撞角(o)19.419.820.4停止位置本車道本車道相鄰車道3）乘員所受加速度從表7-3來看，乘員所受的沖擊加速度可以滿足評價標準的規定。表7-3 乘員加速度情況實驗序號加速度傳感器最大幅值(g)頭部胸部縱向橫向豎向縱向橫向豎向118.38.955.553.081.234.7926.956.835.893.911.065.797.4.3實驗結論根據實驗結果分析，所開發的高速公路陡崖峭壁鋼護欄有效地阻止了