（交通运输规划与管理专业论文）高速公路路侧护栏设计优化研究.pdf

摘要 交通安全问题是全社会关注的一个热点问题，通过改进道路设计来改善交通 安全状况非常重要，路侧护栏作为高速公路上防护危险障碍物的有效手段，其设 计合理与否与道路交通安全息息相关。 论文在参考国内外研究成果的基础上，分析了我国路侧护栏设计现状，指出 了护栏设计中存在的一些问题。在此基础上，针对护栏位置设计存在的问题，对 护栏位置设计要考虑的因素、合理位置的确定方法进行了系统分析。对于长度设 计，根据护栏变形特点建立了结构设计长度方程，基于车辆行驶特征建立了功能 设计长度方程，最终结果取二者之大。公式建立后，通过受力分析求解行驶轨迹 长度，利用时间增量试算法对护栏变形量和失效立柱个数求解，并将计算结果与 实验数据进行对比，验证其有效性。最后，运用本文研究成果，对陕蒙高速公路 上典型路段的路侧护栏设计进行优化，验证本文研究结论的合理性。 关键词：路侧护栏设置位置设计长度优化 a b s t r a c t t h et r a f f i cs a f e t yq u e s t i o ni sah o tt o p i cw h i c ht h ee n t i r es o c i e t yp a y sa t t e n t i o n i t i se x t r e m e l yi m p o r t a n tt oi m p r o v et h et r a f f i cs a f e t yc o n d i t i o nt h r o u g hi m p r o v er o a d d e s i g n r o a d s i d eb a r r i e r s ，a sa ne f f e c t i v em e t h o dt op r o t e c td a n g e r o u so b s t a c l e so n r o a d i t sd e s i g ni sr e a s o n a b l eo rn o ti sc l o s e l yl i n k e dw i t i lt h er o a dt r a f f i cs a f e t y t h ep a p e rr e f e r st ot h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c hr e s u l t s ，o nt h eb a s i s ， a n a l y z e sd o m e s t i cp r e s e n td e s i g ns i t u a t i o no fr o a d s i d eb a r r i e r s ，a n dp o i n t e so u ts o m e p r o b l e m si nb a r r i e rd e s i g n o nt h i sf o u n d a t i o n ，i nv i e wo fp r o b l e m si nb a r r i e rp o s i t i o n d e s i g n ，s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e sf a c t o r sw h i c hp o s i t i o nd e s i g nm u s tb ec o n s i d e ra n d m e t h o dt od e f i n er e a s o n a b l ep o s i t i o n i nv i e wo fp r o b l e m si nb a r r i e rl e n g t hd e s i g n ， e s t a b l i s h e ss t r u c t u r a l d e s i g nl e n g t he q u a t i o na c c o r d i n g t ob a r r i e rd i s t o r t i o n c h a r a c t e r i s t i c s ，e s t a b l i s h e sf u n c t i o n a ld e s i g nl e n g t he q u a t i o n b a s e do nv e h i c l e t r a v e l i n gc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ef i n a lo u t c o m ew i l lb et h eb i g g e ro n eo ft h et w o a f t e rt h e f o r m u l ae s t a b l i s h m e n t ，c o m p u t e st r a v e l i n gp a t hl e n g t ht h r o u g ht h es t r e s sa n a l y s i s ， c o m p u t e sb a r r i e rd i s t o r t i o na n dt h ee x p i r a t i o nc o l u m nn u m b e rt h r o u g hd e l t at i m et r i a l ， a n dt h e nc o n t r a s tt h er e s u l t sw i t he x p e r i m e n td a t u mt oc o n f i r mt h e i rv a l i d i t y a tl a s t ， s e l e c t s t y p i c a lr o a d s e c t i o nf r o ms h a a n x i - m o n g o l i a f r e e w a y , u s e st h ep a p e r s c o n c l u s i o n st oo p t i m i z er o a d s i d eb a r r i e rd e s i g na n dc o n f i r mi t sr a t i o n a l i t y k e yw o r d s ：r o a d s i d eb a r r i e r ss e t t i n gl o c a t i o nd e s i g nl e n g t ho p t i m i z a t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：另彻自力。苦年，月多日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 乃香柏 蛸咔 刎6 年月旧 。石年，月工1 日 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 近年来，交通安全问题已成了世界性的大难题。据统计，目前全世界已有 3 2 0 0 多万人死于车祸，j 亿多人伤残，每年车祸造成的死亡人数超过7 0 万，伤残人 数超过1 2 0 0 万，造成的直接经济损失多达约5 亿美元，这一数字相当于每年发生 两次日本广岛核爆炸。而同期我国的道路交通安全状况则更不容乐观。目前，我 国道路交通事故致死率约为1 7 3 万，是美国、日本、欧洲国家的1 4 倍多，平均每 天2 l o 余人死于车祸。我国的交通事故特点与发达国家明显不同的是，高等级道 路，尤其是高速公路交通事故发生率远高于普通干线公路，美国高速公路与普通 干线公路相比交通事故率下降5 5 ，英国下降6 2 ，日本下降8 9 ，而我国高速 公路的事故率则大于普通公路，据统计”1 ，我国普通公路的事故率和死亡率分别 为0 2 3 8 起公里和0 0 5 9 起公里，而高速公路的事故率和死亡率则达到了 1 8 9 4 起公里和0 2 4 8 起公里，高速公路事故率和死亡率分别是普通公路的 7 9 6 倍和4 2 倍。由此说明，我国高速公路的交通安全状况与发达国家相比还 有很大的差距，高速公路并未成为安全之路，交通安全保障工作面临很大的挑战。 统计结果进一步表明，在我国近年发生的道路交通事故中，单车事故的比 例有所提升，发生在普通干线公路上约有4 5 、高速公路上约有3 0 的交通事故 是由于车辆越出路外造成的，且由此造成的特、重大恶性交通事故占该类事故总 数的比例达6 2 以上。这些数据说明，路侧环境在伤亡和严重事故中起了很重要 的作用，道路安全性设计中，除了需要考虑道路线形、路面结构等的改善外，创 造良好的路侧安全条件同样重要。美国r o a d s i d ed e s i g ng u i d e 中认为，不 管车辆驶离道路的原因如何，如果路侧无固定障碍物，边坡平缓，则事故的严重度 会大大降低。而实际上由于自然条件、公路用地及工程费用等原因，很多情况下 路侧条件很难达到这一要求，因此，在不能将路侧障碍物移除的路段以及高填方 陡坡路段或存在危险的路堑路段合理设置路侧护栏，对于防护车辆驶出道路，降 低翻车或碰撞障碍物事故发生的概率十分重要。 在国外，一些专门的研究机构和人员早在几十年前就开始了对护栏设置条 件、尺寸参数、材料等问题的研究，他们多通过现场试验或计算机仿真，运用数 理统计的方法对护栏设置条件、设计参数以及材料性能等进行分析，为护栏的选 择、设置、设计等提供依据，目前己取得了一系列成果，在道路建设应用中对提 高道路的安全性起到了很好的作用，其中美国等发达国家自上世纪五六十年代综 合运用“3 e ”策略，即e n f o r c e m e m ( 实施) 、e n g i n e e r i n g ( 工程) 、e d u c a t i o n ( 教 育) ，其成果就是一个很好的证明。而我国有关机构虽也自2 0 世纪7 0 年代开始对 护栏设计进行过一些研究，取得了一定的成果，但由于试验条件不足等原因，我 国对护栏设计方法研究的全面性、系统性还远远不及发达国家，目前国内对于护 栏的安全性设计研究仍有许多空白。 护栏作为高速公路上的基础防护设施，其设计设置是否合理将在安全性、美 观性、经济性等多方面影响高速公路的运营，因此，对高速公路路侧护栏合理设 计方法进行研究，具有以下几方面的重要意义。 第一，有助于减少单车事故的发生。 近年来由于疲劳驾驶、酗酒、药物等原因引发的单车事故越来越多，采用合 理长度、位置和结构形式的路侧护栏，能及时预防车辆冲出道路，避免和减少人 身伤害和车辆、财产损失。 第二，相当于间接减少路侧障碍物的数量。 护栏虽具有防护路侧障碍物的功能，但其本身也是一种障碍物，只有进行合 理的设计，才能令它的这一负面效用降低，起到扬长避短之效，相当于间接减少 了传统设计方法中路侧障碍物的数量。 第三，有助于减小驾驶员心理负担。 路侧护栏具有诱导视线的作用，合理设置的路侧护栏可以缓解驾驶员视觉疲 劳，消除驾驶员在某些危险路段行驶时的紧张情绪，使他们在比较放松的心态下 对车辆的控制更加从容，降低交通事故发生的概率。 第四，有助于节省工程投资。 取缔不必要设置的路侧护栏除了能在项目建设期节省工程投资外，还减少 了日后护栏养护、维修的工作量，而且可将节约的这部分资金用于改善其它地点 设置护栏的质量或养护、维修，具有较强的经济性。 1 2 国内外研究概况。h ”3 1 2 1 国外研究概况 护栏作为高速公路上的主要安全设施，在世界范围内受到了人们的广泛重视。 公路交通较发达的国家在高速公路出现初期就着手对护栏设计的研究。目前国际 上在护栏设计研究中，以美国的研究成果较为先进和完善，他们借助碰撞试验， 运用数理统计等方法，建立了一整套完整的护栏设计理论，目前除日本等少数几 个国家外，世界上大多数国家都是以美式护栏结构机理来指导本国护栏设计的。 美国从1 9 2 0 年起就开始了对护栏的研究与使用，在理论分析和模拟的基础 上，通过大量实车足尺碰撞过程的验证实验和公路上的应用实践，积累了大量经 验，制定了有关护栏形式选择、结构设计、实验验证的方法、手段以及护栏的生 产制造、运输安装和维修等一系列的标准规范，为护栏的标准化、系统化设计奠 定了基础。1 9 8 1 年美国国家研究会交通研究所制定了高速公路安全设施评价 标准，对实车足尺试验和护栏的现场实用评价给出了明确的评价指标，对公路 护栏试验、设计的标准化起了重要作用，并于1 9 7 0 年和1 9 8 6 年先后开展了高速 公路护栏结构及各种安全设施的一系列研究以及设计规范制定工作。此外，美国 国家公路运输商协会( a a s h t o ) 经过多年的理论和试验研究，于1 9 7 7 年出版了 g u i d ef o rs e l e c t i n g ，l o c a t i n ga n dd e s i g n i n gf o rt r a f f i cb a r r i e r s ， 书中详细分析了护栏形式选择、位置设置、结构设计等的方法和原则，又在1 9 9 3 年出版的 n a t i o n a lc o o p e r a t i v eh i g h w a yr e s e a r c hr e p o r t3 5 0 ：r e c o m m e n d e d p r o c e d u r e sf o rt h es a f e t yp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fh i g h w a yf e a t u r e s 和1 9 9 5 年出版的ag u i d et os t a n d a r d i z e dh i g h w a yb a r r i e rh a r d w a r e 中 对上述问题重新进行了论述，补充了最新的研究成果。在1 9 9 6 年出版的第一版 r o a d s i d ed e s i g ng u i d e 中，a a s h t o 系统总结了多年试验研究结果，对公 路路侧设施、城市道路交通工程设施及施工区安全设施研究的实验方法、过程和 结果进行了论述，其中就论述了各类型护栏的强度、变形特征以及各种护栏端部 抗碰撞及消能性能，对于护栏合理设计长度及半刚性和刚性护栏之间的过渡设计 等内容也进行了详细分析，并于2 0 0 2 年出版了第二版 r o a d s i d ed e s i g ng u i d e 对上述内容进行完善，该书即为目前美国公路路侧设计的规范性文件。 在2 0 0 2 年版的 r o a d s i d ed e s i g ng u i d e 中，总结了护栏合理设计长度 的计算公式，并根据试验确定出了部分变量的取值，计算方法如下所述： 图1 - 1路侧护栏合理长度设计图 图1 - 1 表明了确定路侧护栏有效防护障碍物必须长度时要考虑的几个变量。 根据这些变量计算设置在相关区域面前的护栏的直线长度x 为： 由 每：竺车塑t _ 得 当b a 为零时 同理可得 、，三。+ ( ) ( 工，) 一上： 拈菊( ) + ( 。) x = 号 7 l r 】，：l 一当( x ) l r 其中：l ，护栏标准段长度； l 。障碍物处路侧护栏至行车道边缘的距离 l r 一障碍物内边缘距行车道边缘的距离； _ 一障碍物外边缘至行车道边缘的距离； l 厂路侧净区宽度； l f 一车辆平行于路线方向的行驶轨迹长； l 。避让线距离； 6 屈一护栏斜展率； 卜书栏的水平设计长度； y 护栏端头与行车道边缘之间的距离。 ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) 在上述计算中，l 、l 3 可看成已知量，l 。一般由设计者根据经验确定，l s 、 l r 及b a 分别根据不同的试验测得，规范中给出了一组这类变量的最佳取值，但 标定护栏位置的变量l ：，由于其与护栏材料属性、立柱间距以及路侧环境等多 个因素有关，它的确定在规范中未给出十分准确的方法，原则上路侧护栏的位置 应尽可能远离行车道。 日本从2 0 世纪5 0 年代开始对护栏展开研究，并在名神高速公路上开始大规 模使用护栏。在随后十几年中，以日本道路公团、日本道路协会、建设省土木研 究所为中心的日本各种研究机构对各种护栏进行了广泛深入的研究，于1 9 6 5 年 制定了护栏设鼍纲要，对护栏的适用范围、结构设计、功能要求、施工安装等方 面做出了明确规定。与美式护栏相比较，日式护栏的整体刚度大，护栏参与作用 范围和横向变形量小，但钢材用量较大。 其他一些国家，从2 0 世纪5 0 、6 0 年代也相继开展了自己的护栏设计标准化 研究。 1 2 2 国内研究概况“” 我国对路侧护栏的研究起步较晚，理论研究和实验手段还不完善，目前已 有的研究成果与发达国家相比也有很大的差距，所以路侧护栏设计在保障公路安 全性方面仍存在较大的不足。按时间顺序，我国有关机构对护栏设计方面进行的 研究主要有以下内容： “七五”期间，我国开始高速公路的护栏设计、生产与施工的研究工作并 把护栏的研究开发列入“七五”科技攻关项目。 交通部公路科学研究所从1 9 8 4 年开始就对波形梁护栏进行了系统的研究， 根据我国的护栏设计条件，提出了我国当时的护栏结构形式。该结构采用厚度3 m m 的深波纹横梁，z 字形开口型钢立柱的形式，从1 9 8 9 年起在全国推广应用。但随 后几年在高速公路及一级公路的实际应用表明，z 形柱强度太弱，损坏严重，不 利于行车安全。故交通部公路管理司于1 9 9 4 年5 月下令停止使用波形梁护栏“z ” 形柱。 1 9 9 2 1 9 9 3 年间，为编制相关的部颁标准和研究钢制波形梁护栏的防撞性 能，交通部公路研究所在北京、海南做了两批次共2 7 辆实车撞击钢制波形梁护栏 的试验。通过这次开创性的工作，建立了一套试验方法和试验设施，并对护栏的 安全评价标准、试验规程等提出了建设性的意见，取得了宝贵经验。 1 9 9 4 年，我国制定了行业标准( j t j 0 7 4 9 4 ) 高速公路交通安全设施设计 及施工技术规范，规定了波形梁护栏、缆索护栏、混凝土护栏的设计要求、设 计原则、构造、材料、施工及质量要求与验收，并于1 9 9 5 年制订了高速公路波 形梁钢护栏( 产品标准) 。 1 9 9 7 年，交通部公路科学研究所开发了可用于高速公路设施碰撞研究的试 验手段，为防撞护栏的试验研究创造了更好的条件。 0 2 0 0 0 年，交通部编写发布了公路三波形梁钢护栏行业标准并推广应用， 主要用于重型车、大型车比例高的路段和山区高速公路等地形不利之处。 由于我国以前修建的高速公路一般采用全线设置路侧护栏的设计方法，不存 在确定护栏合理设计长度的问题，对护栏位置的选择也没有做过专门的研究，所 以，目前护栏设计理论还很少，对于护栏的研究又多集中于通过计算机仿真分析 其结构形式和碰撞性能上，实地试验也不多。 近年来，我国修建的高速公路大部分放弃了全线设置路侧护栏的设计方法， 但关于护栏设计长度，规范中的规定仅包括“路侧护栏的最小设置长度为7 0 米， 两端路侧护栏之间相距不到l o o m 时，宜在该两路段之间连续设置”这一条“， 关于路侧护栏的合理长度的计算方法未有说明，工程实际中设计者一般只能在符 合规范规定的基础上根据工程经验来确定护栏的设计长度，而且对于护栏与障碍 物之间的合理距离也没做明确说明，加上很少对护栏保障交通安全的作用进行事 后调查，如此导致了护栏设计既缺乏理论指导，设计的合理性又无从考证。 1 2 3 国内外路侧护栏设计研究评价 美国对于路侧护栏设计的研究，计算中考虑的因素较多，依靠实车试验确定 计算参数的方法与实际情况也比较接近，具有一定的实用价值，但试验成本较高， 目前在我国采用这种研究方法还不十分适用。况且，我国的道路环境和路上交通 量构成都比较复杂，直接照搬国外设计经验有诸多不适应性，国外的经验只能在 一定条件下作为参考。现将美国护栏长度设计方法运用于我国道路路侧护栏设计 时的不适应性总结如下： ( 1 ) 长度计算中推荐的汽车行驶轨迹值，没有考虑驶出角度的影响，而实 际上，大货车和小客车的驶出角度大小差别较大，在不同的道路上，占优势的交 通量类型不同，采用统一的汽车行驶轨迹值明显不合理。因此，在路侧护栏设计 时有必要将驶出角度作为考虑因素。 ( 2 ) 边坡条件对汽车驶出轨迹长短会产生很大影响，我国不同地区自然地 理条件差异较大，公路边坡性质各异，硬质边坡和软质边坡条件下汽车的行驶轨 迹大小存在明显不同，因此，计算中将汽车行驶轨迹值在任何边坡条件下都取相 同值显然不合理。 ( 3 ) ( ( r o a d s i d ed e s i g ng u i d e 中只计算了直线路段的护栏设计长度，未 对曲线路段护栏长度设计方法进行说明，由于曲线路段和直线路段上车辆从道路 上驶出的特征明显不同，而我国道路设计中曲线路段的长度在一条道路的总长度 中往往占有较大比例，尤其是在一些地形受限地区的道路设计中，曲线路段更是 整个路线形式设计的主体，因此，有必要对两种不同路线形式的路段分别进行路 侧护栏设计。 ( 4 ) 关于护栏的横向位置，( ( r o a d s i d ed e s i g ng u i d e ) ) 中规定护栏与障碍 物之间的最小间距为o 6 米，未提供护栏在车辆撞击下横向变形量的定量计算方 法，因此，在障碍物与护栏较近的条件下不能判断路侧护栏是否能有效防护障碍 物使其免受撞击。 国内目前采用的路侧护栏设计标准基本是在参照国外已有研究成果结合我 国相关专业人员的实际经验制定而成的，缺乏系统的理论证明和试验研究，标准 的合理性有待进一步验证。目前相关机构和人员进行的研究多集中在利用仿真软 件模拟车辆与护栏相撞的动态响应情况，进而确定护栏的强度、变形特性等，很 少在护栏设置位置及合理设计长度方面进行分析，护栏设计理论还不够完善。 总体来说，我国对路侧护栏研究起步较晚，正处于不断探索与积累的阶段， 研究成果还不是很完善，与发达国家相比仍有欠缺。加上我国各地由于地形地质 条件不同导致的道路环境差别较大，如何能解决各种道路路侧护栏合理设计的问 题，从而为高速公路最大程度地创造一个安全行车环境，将是交通工程设施设计 工作者必须面临的挑战和难点。 1 3 本文研究的主要内容和技术路线 根据前述对路侧护栏研究现状的分析，本文拟从理论上研究路侧护栏合理位 置确定和长度计算的问题，具体研究内容如下： 第二章，首先分析高速公路事故特点和交通安全对路侧护栏的要求，接着详 细介绍我国高速公路路侧护栏设计现状，最后对护栏设计进行检验，提出我国路 7 侧护栏设计中存在的一些问题。 第三章，研究路侧护栏设计优化理念，从位置设置和长度设计两方面对目前 路侧护栏设计方法进行优化，建立护栏结构长度和功能长度计算方程。 第四章，利用理论力学、固体力学和材料力学等有关知识对第三章中所建立 计算方程中的复杂变量进行求解，并根据r o a d s i d ed e s i g ng u i d e d 中推荐的 试验数据和中国公路工程咨询总公司的实车碰撞数据对计算结果进行检验，验证 本文提出的计算理论的合理性。 第五章，分析陕蒙高速公路路侧护栏原设计特点，针对典型路段根据本文研 究结论对其进行优化。 第六章，对论文研究内容进行总结，说明研究成果及有待进一步解决的问题。 本文整体研究技术路线如图卜2 ： 护 栏 的 安 全 作 用 路侧护栏设计优化 洲障 图i - 2 技术路线图 原 设 计 分 析 优 化 设 计 功能长度设计 结构长度设计 设置位置改进优化设计理念 存在问题检验方法 设计现状 第二章路侧护栏设计现状分析 2 1 路侧护栏在道路交通安全中的作用 2 1 1 高速公路事故特点及成因分析 与一般公路相比，高速公路全线封闭、分隔行驶、汽车专用，排除了行人、 非机动车的干扰和对向交通的相互影响，通常交通流量较大，行车速度较高，而 车辆在高速行驶状态下则更加不容易控制，因此，高速公路上发生的交通事故多 与车速高、车辆之间速度差大有关。有关部门对京珠高速公路湖南段潭耒高速公 路、耒宜高速公路2 0 0 4 年某一时间段内发生的交通事故进行过统计，并按事故 发生地点和损害结果分为五大类“： ( 1 ) 路侧事故：事故车辆碰撞到路侧护栏或其它交通安全设施( 如标志、 轮廓标等) ，或在路侧未设置护栏段冲入边沟，或冲出边坡外的事故。 ( 2 ) 中央分隔带事故：事故车辆碰撞到中央分隔带护栏，或虽未碰撞到护 栏但碰撞到路缘石，或驶入中央分隔带纵向水沟等事故。 ( 3 ) 活动护栏事故：事故车辆碰撞到活动护栏，或虽未碰撞到活动护栏， 但车辆横穿中央分隔带开口发生的事故。 ( 4 ) 收费站事故：在收费站广场区域内发生的事故。 ( 5 ) 路面事故：发生在高速公路路面上且不属于上述四种情况的事故。 根据以上分类统计的事故结果见表2 - 1 、2 2 。 表2 1潭耒高速公路交通事故分类统计表 汇总事占总事故伤亡占总伤亡人数 分类 故数( 起)百分( )总人数( 人)百分率( ) 路侧事故 9 l4 03 5 8 4 6 4 中央分隔带事故 6 52 882 52 0 活动护栏事故2o 932 4 收费站事故 62 6o0 路面事故 6 22 7 43 93 1 2 表2 - 2 耒宜高速公路交通事故分类统计表 汇总事占总事故 伤亡 占总伤亡人数 分类 故数( 起)百分( )总人数( 人)百分率( ) 路侧事故1 1 56 3 22 33 3 3 中央分隔带事故 2 31 2 622 9 活动护栏事故 21 134 4 收费站事故 31 70o 路面事故 3 92 1 44 15 9 4 由表2 1 、2 2 可看出，无论是潭耒高速公路还是耒宜高速公路，路侧事故 所占的比例远高于其它类型的交通事故，路侧事故造成的伤亡人数占总伤亡人数 的比例也最大。由此可见，路侧安全问题已经成为高速公路交通安全中一个非常 重要的方面，而这与高速公路的行车条件是密不可分的，汽车在高速公路上行驶 时车速高，驾驶员反应不及时，车辆也更加不容易控制，一旦车辆由于疲劳驾驶、 机械故障、避让等原因驶出行车道，在没有良好的路侧安全环境保障下，很容易 引发交通事故。尤其在当前高速公路日益发展、机动车保有量持续增加的形势下， 路侧交通安全问题更应引起人们的重视。 从事故控制原因的角度分析，可以将高速公路交通事故表示为人、车辆、道 路环境的联合效用函数，其中每种致因在事故发生中都起着很大的作用。 首先，就驾驶员而言，在车辆高速行驶状态下，其动视力逐渐下降，视野变 窄，据试验研究，1 2 的静视力在车速为9 0 k m h 时仅相当于0 6 “”，这会导致驾 驶员判断产生延误，还会降低驾驶员对速度感知的敏锐性，我国各地的高速公路 交通事故统计表明，因观察失误引起的交通事故占总数的4 0 5 0 ；因判断失 误引起的责任事故占总数的2 0 3 0 “。 其次是车辆的问题，由于国内大部分汽车制造行业还没有调整生产结构生产 出适合高速公路行驶的汽车，也就是说现在高速公路上行驶的汽车大部分性能指 标达不到高速公路的要求，容易出现各种故障，造成事故。以陕西省境内的西临 ( 西安到临潼) 高速公路为例，据统计“，车辆技术状况不良造成的事故占事故总 数的3 0 8 1 。在所有的事故车辆中，进口车占2 3 1 3 ( 含进口组装车) ，国产车 占7 6 8 7 。事故资料分析发现，国产车之所以容易发生事故，主要是动力性、 制动性和操纵稳定性不能满足高速公路行驶的需要，轮胎及车身内外安全设施也 不够完善之故。 最后，道路环境也是交通事故很重要的致因之一。道路环境涵盖了一个较大 的范围，对于一条高速公路来说，几何线形、横断面、交叉、路面、标志标线、 护栏等的设计和设置都可归入道路环境这一范畴。道路环境不能完全满足行车需 要时，往往会形成事故多发区，即通常所说的事故黑点，这其中路侧护栏对事故 发生的影响是非常大的，汽车驶出行车道后是否会发生碰撞事故，与护栏碰撞和 与障碍物碰撞哪个后果更严重，与路侧护栏的设计和设置是直接相关的，长度、 位置、材料选择合理的护栏可大大降低事故严重度甚至降低事故发生的概率，反 之则会加重事故的后果或者事故几率。另外，即使车辆不从行车道驶出，路侧护 栏的视线诱导和美化道路环境的作用同样间接改善了行车环境，对交通安全也是 有益的。 2 2 2 路侧护栏对保障行车安全的作用 高速公路作为现代的交通通道，具有“快速、舒适、安全、高效、低耗”的 特点。路侧护栏是高速公路安全行车的必要保证，它起着防止车辆驶出路外，降 低驾驶员受伤害程度和保护路侧物体的作用，为高速公路车辆的安全、高效行驶 提供安全保障。从安全角度考虑，路侧护栏在高速公路上设置时应能发挥以下一 些作用： ( 1 ) 能绊阻车辆，防止车辆越出路外，保护路外建筑物以及与高速公路相 交道路、铁路的安全“。 ( 2 ) 能使车辆回复到正常行驶方向。车辆碰撞护栏的运动轨迹应能圆滑 过渡，以较小的驶离角和较小的回弹量停留在不影响车辆正常行驶的地方，不致 发生二次事故“。理想的汽车一护栏碰撞过程如图2 - 1 所示。 飞垒l 矿一可f 碰撞开始 护栏变形增大过程 7 一飞口厂一 卜多卜 护栏变形达到最大 碰撞结束、车辆驶离 图2 1理想的汽车一护栏碰撞图 ( 3 ) 一旦失控车辆与护栏发生碰撞，对驾驶员和乘客的损伤为最小，要求 护栏具有良好的吸收碰撞能量的功能“。 ( 4 ) 能诱导驾驶员的视线，使驾驶员清晰看到道路的轮廓及前进方向的线 形，增加行车的安全性，同时使道路更加美观“。 ( 5 ) 不对驾驶员造成行车压力，保证理想的行车空间，减少高速公路行车 道外侧的交通阻力，从而提高通行能力。 2 2 路侧护栏设计综述 2 2 1 设计内容 按照设计步骤，可将路侧护栏设计分为以下内容： ( 1 ) 确定护栏设置原则：主要是明确哪些路段需要设置路侧护栏防护。 ( 2 ) 选择护栏形式：根据被防护物的种类、位置等特点，确定需要采用的 护栏形式。 ( 3 ) 确定护栏设计条件( 或称碰撞条件) ：主要考虑标准车型、车辆质量、 碰撞速度、碰撞角度、道路条件、交通特性、事故成本和国家经济发展水平等因 素。 ( 4 ) 护栏参数设计：根据护栏组成部分和参数类型，按不同的分类方法， 确定路侧护栏参数设计内容主要有以下几项： 图2 - 2 护栏参数设计内容 2 2 2 设置原则 公路危险路段的两侧，可以通过设置护栏得到保护。路侧护栏可分为路堤护 栏和障碍物护栏两大类。路侧护栏的设置依据，通常是以设置护栏与不用护栏保 护的相对危险性做出比较后做出判断的。我国路侧护栏的设置原则根据高速公 路交通安全设施设计及施工技术规范( j t j0 7 4 9 4 ) 的规定简述如下“6 1 1 道路边坡坡度i 和路堤高度h 在图2 3 的阴影范围内的路段。 路 基 高 度 7 s k x y , 黝- 肜 y x j 夕：刎： 髟纥钐钐形杉形杉砑钐 ,d铡一 v 4v y v z乡； v ,v ；y y y ；s” 钐x 形乡钐，7 v 4钐缈 l ， 图2 - 3 路堤处路侧护栏设置原则 2 与铁路、公路相交，车辆有可能跌落到铁路或其它相交公路上的路段。 3 高速公路或汽车专用一级公路在距路基坡脚1 o m 范围内有江、河、湖、 海、沼泽等水域，车辆掉入会有极大危险的路段。 4 高速公路互通式立体交叉进、出口匝道的三角地带及匝道的小半径弯道外 侧。 凡符合下列情况之一者，应设置路侧护栏： 1 道路边坡坡度i 和路堤高度h 在图2 3 的虚线以上区域内的路段。 2 高速公路或汽车专用一级公路在距土路肩边缘1 0 m 范围内有门架结构、 紧急电话、上跨桥的桥墩或桥台等构造物时。 3 与铁路、公路平行，车辆有可能闯入相邻铁路或其它公路的路段。 4 路基宽度发生变化的渐变段。 j 曲线半径小于一般最小半径的路段。 6 服务区、停车区或公共汽车路侧停车处的变速车道区段，交通分、合流 的三角地带所包括区段。 7 大、中、小桥两端或高架构造物两端与路基连接部分。 8 导流岛、分隔岛处认为需要设置护栏的地方。 凡符合下列情况之一者，可设置路侧护栏： 1 高速公路或汽车专用一级公路在距土路肩边缘1 o m 范围存在下列危险或 障碍物时： 粗糙的石方开挖断面； 大孤石； 重要标志柱、信号灯柱、可变标志柱、照明灯柱或路堑支撑壁、隔音墙等 设施； 高出路面3 0 c m 以上的混凝土基础、挡土墙； 2 道路纵坡大于4 的下坡路段； 3 路面结冰、积雪严重的路段： 4 多雾地区： 5 隧道入口附近及隧道内需保障养护人员安全的路段。 2 2 3 分类及特点 护栏的形式按刚度不同分为柔性护栏、半刚性护栏和刚性护栏三类“。 1 柔性护栏一般指缆索护栏。这是一种以数根施加了初拉力的缆索固定于支 柱上的结构，它完全依靠缆索的拉应力来抵抗车辆的碰撞。缆索护栏是由钢缆索、 弱柱组成。在国内曾用于宁合高速公路及江阴大桥主桥上。 缆索护栏的首要优点是初始成本低，对车辆的包容性好，对大尺寸车辆有较 好的引导作用，设置条件宽，对车辆的减速力度小；这种护栏由于其开放式设计， 可防堆积，用于风雪和风沙地区优越性突出，主要缺点是碰撞损坏后维护量大， 且护栏外侧需要的空间较大。 2 半刚性护栏一般指的是梁式护栏。这种护栏用支柱固定梁式结构，依靠护 栏的弯曲变形和张拉力来抵抗车辆的碰撞。按不同的结构，梁式护栏可分为波形 梁护栏、管梁护栏、箱梁护栏等数种。他们均具有一定的刚度和韧性，通过横梁 的变形吸收冲撞能量，损坏部件容易更换，具有一定的视线诱导作用，外形美观。 从国内外实际应用情况看，波形梁护栏的应用最广泛。 3 刚性护栏一般指的是水泥混凝土护栏。这是一种具有一定断面形状的水泥 混凝土墙式结构，依靠汽车爬高、变形和摩擦来吸收碰撞能量。变截面刚性护栏 允许失控车辆爬上护栏的斜坡，以缓冲碰撞力，并在护栏不发生明显变形的情况 下改变车辆方向。在这种情况下，车辆的爬高运动是关键，护栏的防撞性能决定 于车轮压到护栏表面时车辆的动力性能和护栏轮廓的形状。刚性护栏在碰撞时不 变形，几乎不会被损坏，维修费用很低，但对车辆行驶有压迫感。混凝土护栏多 用于中央分隔带，路侧护栏应用中较少。 从我国公路护栏使用情况看，占绝对优势的是波形梁护栏，这是由于波形梁 护栏具有一定的刚性和韧性，当车辆碰撞时塑性变形较大，损坏处容易更换，具 有较好的视线诱导功能，能很好地与道路线形相协调，外形美观。例如：京唐高 速公路、沪嘉高速公路、广佛高速公路、沈大高速公路、京石高速公路、贵黄公 路、宜黄公路、西陵高速公路等采用的都是波形梁护栏。混凝土护栏一般用于中 央分隔带和桥涵，路侧护栏采用这种形式较少；缆索护栏目前只有3 1 2 国道等少 数公路上应用。 2 2 4 设计条件 我国在确定护栏设计条件时，主要考虑以下几方面因素“。 1 道路条件 我国公路的几何线形设计，按公路工程技术标准中对高等级公路的主要 技术指标衡量，与发达国家的公路技术标准差不多。但由于我国的高等级公路起 步较晚，经验较少，因此在具体的线形设计中难免有处理不当之处。另外，在一 些设计参数的取值方面也有我国的特点。由于我国人口众多，土地宝贵，公路边 坡偏陡尤其在高速公路沿线，村镇密集，下穿通道很多，通道就意味着要抬高路 堤高度，相应地增加了路侧的危险性。除了路堤高度比较高，边坡比较陡以外， 中央分隔带、路缘带、路肩等的宽度，与国外标准相比也偏向下限。 2 标准车型与车辆的质量 从我国车辆保有量构成来看，载重量在2 5 t 以下的车辆占2 6 7 ，载重量 在9 t 以下的车辆占9 7 2 1 ，载重量在1 2 t 以下的车辆占9 8 7 4 。根据设计标准 车型应能代表8 5 以上道路上行驶的车辆群体的原则，同时考虑到未来车辆发展 的趋势，即小汽车的微型化和大卡车的重型化，我国护栏设计的标准车型规定为 b j 2 1 2 、e q l 4 0 。 3 车辆的碰撞角度 碰撞角是车辆冲击力方向与护栏纵面所成的夹角。它与道路等级、车辆的种 类、行驶速度和车辆在车道上的位置有关。国外主要通过事故现场调查或野外观 测获得车辆越出路外的角度来确定，一般情况下，规定货车的碰撞角为1 5 。，小 汽车的碰撞角为2 0 。一2 5 。( 法国规定小汽车的碰撞角为2 0 。3 0 0 ) 。我国没有事 故现场调查方面的资料，根据国外资料，并结合我国高速公路对车辆行驶的规定 和横断面布设特点，规定小汽车碰撞角为2 0 。，卡车的碰撞角为1 5 0 2 0 。 4 碰撞速度 在一般情况下，公路上的车辆以平均运行速度行驶，平均运行速度可以按计 算行车速的8 0 计算。虽然在车辆发生偏离车道等偶然事故时，驾驶员有可能采 取刹车、转向、松油门减速等紧急补救措施，但是，考虑到我国道路侧向余宽一 般较小和车辆碰撞路侧护栏发生的时间极短、车辆不能越出路外等因素，把平均 运行速度近似为碰撞速度。即根据道路等级，碰撞速度分别定为5 0 8 0 l ( i i l h 。 2 2 5 设计参数1 1 设置位置 规范规定：路侧波形梁护栏的横断面布设，不应使护栏面侵入公路建设 界限以内，并不得使护栏立柱外侧的侧向土压力明显减少。立柱外边缘到路肩边 缘的最小距离规定为：当土路肩宽度为7 5 c m 时，不应小于2 5 c m ；当土路肩宽度 为5 0 e m 时，不应小于1 4 c m 。 2 设计长度 护栏的设计长度包括护栏标准段、渐变段和端头三部分长度之和，规范 中规定：路侧护栏最小设置长度为7 0 m ，两段路侧护栏之间相距不到l o o m 时， 宣在该两路段之间连续设置。夹在两填方区段之间长度小于l o o m 的挖方区段， 应和两端填方区段的护栏相连。 3 设计高度 根据美国护栏足尺碰撞的结果，我国提出的防止车辆钻撞和越出的护栏高度 分别为： 缆索护栏从地面到最上一根缆索顶的高度为9 5 0 m m ； 箱梁护栏从地面到箱梁顶的高度为7 0 0 m m ； 波形粱护栏从地面到横梁顶的高度为7 5 5 m m 上述护栏高度，几乎可以适应所有乘用车，大部分轻型卡车、箱式货车、多 用途车，不会产生钻撞，也不会产生越出事故。 4 端部设计 路侧护栏端部一般由护栏端头通过渐变段与护栏标准段相接，我国的护栏渐 1 6 变段一般设计成直线型或抛物线型，即立柱位置与路线平行或呈斜直线、抛物线 型逐渐外移，高度保持不变。目前我国路侧护栏设计中渐变段立柱间距一般为 2 m ，小于护栏标准段4 米的立柱间距。有关端头的设计形式，规范规定如下： 路侧波形梁护栏的起讫点应进行端头处理。路侧护栏的端头可以设计成地锚式或 圆头式。逆行车方向的上游圆头式端头与护栏标准段之间应设渐变段，顺行车方 向的下游端头可与标准段护栏成一直线布设。 2 3 路侧护栏设计存在的问题 2 3 1 路侧护栏设计检验方法 护栏本身也是一种障碍物，设计不当的护栏不但不能有效地发挥防护功能， 还可能成为路侧危险物。事故资料显示“，在郊外公路上，与路侧护栏有关的交 通事故仅比与标志立柱和树木引起的事故数少，这说明了合理设置护栏的必要 性。因此，需要对护栏设计进行检验，确保护栏设计的合理性和有效性。根据前 述护栏设计内容的分类，提出护栏各项设计内容检验方法如下： 1 设置原则的检验 根据路侧护栏的作用，判断是否需要设置路侧护栏一般可将车辆越出路 外或撞击障碍物的严重程度与车辆碰撞护栏的严重程度进行对比，根据事故 严重度大小进行判断。事故严重度是衡量一定质量的车辆以一定碰撞条件( 碰 撞速度和碰撞角度) 越出路外和( 或) 碰撞路侧危险物造成事故的后果或严 重程度的指标。它是对事故造成财产损失、伤亡程度的综合评价值“。它的 理论表达式如下： 田= p ( s ，a ) 尸( ，j s ，) w ( i ，) ( 2 1 ) j j 式中：盯事故严重度指数； p ( s ，爿) 事故a 发生在碰撞条件i 下的概率； p ( i j s ) 在碰撞条件i 下伤亡严重度j 的概率； ( ，) 伤亡严重度j 的加权系数。 表2 3 是美国a a s h t o 根据事故资料统计的某些路侧构造物的事故严重度指 数3 。 表2 - 3 路侧障碍物严重度指数 路侧障碍物 6 4 k m h8 0 k m h9 6 k m h1 1 2 k m h 类型 范围平均范围平均范围平均范围平均 波形梁护栏 2 2 2 62 42 4 3 02 72 8 3 63 23 o 一4 o3 5 混凝土护栏 1 8 2 82 32 4 3 02 73 0 3 83 43 8 - 4 84 3 直墙式护栏2 4 2 82 62 8 3 43 13 4 4 2 3 8 4 0 5 04 5 路堤