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摘 要：该文针对我国高速公路传统护栏防撞能力低、缓冲与导向功能差且外形不美观的缺陷问题，论述了通过结构设计创新解决兼顾大型车和小型车的不同防撞需求的问题，经过实车碰撞实验验证了新型护栏具有防撞能力高、缓冲与导向功能好的特点，能够有效提高高速公路的整体安全防护能力和景观设置水平。
关键词：单波梁 护栏 碰撞 事故
中图分类号：U417.12 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（b）-0011-03
Highway Single-wave Beam Guardrail Innovative Design and Experiment Research
He Yaqi1 Zheng Li bao1 Wang Ping1 Li Jianwei2
（1.Henan Zhongyuan Expressway Co .LTD，zhengzhou HeNan，450046，China；2.Beijing China Communications Success Road Technology Co. LTD，Beijing，100083，China）
Abstract：Aiming at the capacity of the current crash barriers for highway anti-collision was low、buffer and the orientation function were poor and the defects in shape with unsightly appearance， Innovation through the structure design is discussed in order to meet the different needs for both large cars and small cars of different collision，Simulation and experiment show that the crash barriers has high anti-collision、buffer and the orientation function are well， it can improve the overall protection capability and the level of the highway landscape.
Key Words：Single-Wave Beam；Barriers；Collision；Accident
随着我国高速公路的快速发展，高速公路交通事故呈现出数量增多和多数事故与护栏有关的特点。目前我国高速公路护栏一般为两波形梁钢护栏（防撞A级160kj见图1）和三波梁钢护栏的配合使用，个别路段使用缆索护栏（见图2）。防撞护栏防护小车时需要柔性设置，防护大车时需要刚性设置，而传统的以两波形梁钢护栏为代表的半刚性防撞护栏，对大车来说防护等级偏低（达不到规范要求的A级160kj），而对小车来说防护等级又偏高，没有足够的缓冲功能，甚至常发生小车下钻护栏卡死乘员的事故（见图3）。由此导致小车事故死亡率高，大车冲出路面或冲到对面而造成生命财产损失惨重（见图4）。因此，有必要本着“尊重规范，满足标准，注重创新”的原则设计一种新型半刚性护栏以解决小型车和大型车对护栏不同防撞要求的矛盾。
1 高速公路单波形梁钢护栏结构设计
高速公路A级单波形梁钢护栏由横梁、立柱、防阻块、螺栓等组成。横梁形式：单排横梁和两排横梁；护栏立柱形式：圆管立柱和缓冲立柱。与两波形梁钢护栏相比有其自身独特的结构和特点：外形美观，缓冲能力强，但需要安全性和经济性全部达到统一要求[1]。
1.1 横梁形式选择
设置单排横梁的优势：与两排横梁相比，同样钢材用量时单排横梁刚度大；施工工艺简便，安装费用低；使用热镀锌防腐工艺时费用低，圆环内余锌少；设置单排横梁的劣势：小车下钻问题难以消除；与目前的圆管立柱和缓冲立柱的配合难以实现经济性目标。由计算机模拟试验结果可知（见计算机仿真试验图5），图中4 mm的横梁与直径140圆管立柱4米间距的组合试验结果为未通过，同样2 M间距立柱没有更大改观[2-3]。
设置两排横梁的优势：上、下分排设置，更有利于小車的行车安全：下排横梁的设置消除了小车下钻事故发生的情况；上排横梁作用为拦阻小车翻越，同时引导小车向前方滑行；防护中型车辆时护栏上横梁拦阻车身，下横梁阻挡车轮；防护大型车时上、下横梁同时起拦阻作用。因而小车事故呈现柔性护栏的特征，大车事故则呈现半刚性护栏的特征，这意味着新型护栏有着柔性护栏和半刚性护栏的双重特征，对于不同的事故有着不同的变形过程，对于减少事故和减轻事故的严重程度尤其是降低事故死亡率都有着重要的意义。另外，两排设置整体通透，景观效果明显。设置两排横梁的劣势：钢材用量稍大。
综合以上对比分析，结合模拟试验结果，横梁采用两排设置可行性较好。
1.2 立柱形式选择
采用圆管立柱的优势：圆管立柱是目前我国高速公路的通用立柱，有利于改扩建工程重复使用从而降低工程造价；普通型材有利于采购加工，费用低；改变壁厚就可以调整刚度，提高实验成功率。采用圆管立柱的劣势：缓冲功能一般，倒伏后完全丧失反弹力，影响结构整体创新。
采用缓冲立柱的优势：缓冲功效好；有新颖性。采用缓冲立柱的劣势：加工成本高，不利于推广应用；一次不成功时刚度调整周期长，不利于完成实验。
根据性价比分析，钢材用量一定时缓冲立柱比圆管立柱优势有限，因而采用圆管立柱。
1.3 防阻块设计与改进
高速公路与两波形梁匹配的防阻块是六角形（见图5）。 其优势为碰撞发生时从横梁传力到立柱时间迅速，缺点是自身六角形对称设计极易扁平化，反弹能力弱不利于防阻功能的实现。传统的和创新设计的防阻块安装后的护栏图片如下。
综上所述，结构设计要点：一是上、下横梁如何节段连接成一体（横梁断面及连接形式改进见图6）；二是防阻块如何在碰撞过程中与护栏顺利脱开，这样不降低横梁的高度；三是防阻块能否创新设计能够使碰撞后的横梁高度保持或提升；四是立柱刚度与横梁刚度配合为整体防护最佳，使得车辆能顺利导出。
2 计算机仿真试验与实车碰撞实验
根据设计与优化列出试验计划，做过计算机模拟试验后进行实车碰撞实验，因车辆参数、护栏尺寸和钢材质量、安装误差等诸多因素的存在，模拟试验与实际实验之间存在一定差距，所以每次模拟试验的成功只作为实车碰撞实验的预演。如一次实验没有成功则需要分析车辆运行轨迹和护栏变形形态后对设计方案进行优化或调整。实际实验结果是方案1失败，方案2成功（见图7和图8）。
小客车以20度角撞击护栏，双向加速度分别为8.18g和13.51g，完成后小车前部只有保险杠处发生轻微损坏，不会对司乘人员造成伤害。碰撞完成后小车驶出角5.7度，驶入原来运行轨迹。整个过程中小车最大加速度没有超过规定的20 g。从实验结果可以看出在碰撞过程中护栏碰撞段横梁发生了较大变形，但保持原来结构，缓冲效果明显，起到了防止下钻和充分缓冲的保护作用。
大客车以20度角撞击护栏，完成后前部发生轻微损坏。碰撞完成后驶出角7.6度，驶入原来运行轨迹。整个过程中小车最大加速度没有超过规定的20 g。从实验结果可以看出在碰撞过程中护栏碰撞段横梁没有断裂，拦阻作用明显。
经实车碰撞实验验证该护栏防护系统符合JTG B05-01-2013《公路护栏安全性能评价标准》[4]和JTGD81-2006《公路交通安全设施设计规范》要求[5]，从而实现了防护小车时缓冲功能好，防护大车时拦阻效果明显的双重目标，有着广阔的市场应用前景。
参考文献
[1] 王松岩，焦红.钢结构设计与应用实例[M].北京：中國建筑工业出版社，2007：16-36.
[2] 雷正保.汽车纵向碰撞控制结构设计的理论与方法[M].长沙：湖南大学出版社，2001：23-62.
[3] 黄世霖，张金换.汽车碰撞与安全[M].北京：清华大学出版社，2000：66-108.
[4] 北京深华达交通工程检测有限公司主编，公路护栏安全性能评价标准（JTG B05-01-2013）[S]，北京：人民交通出版社，2013：5-18.
[5] 刘会学，李爱民，杨九龄.公路交通安全设施设计规范[S].北京：交通运输部公路科学研究院，2006：7-9.
关键词：单波梁 护栏 碰撞 事故
中图分类号：U417.12 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）03（b）-0011-03
Highway Single-wave Beam Guardrail Innovative Design and Experiment Research
He Yaqi1 Zheng Li bao1 Wang Ping1 Li Jianwei2
（1.Henan Zhongyuan Expressway Co .LTD，zhengzhou HeNan，450046，China；2.Beijing China Communications Success Road Technology Co. LTD，Beijing，100083，China）
Abstract：Aiming at the capacity of the current crash barriers for highway anti-collision was low、buffer and the orientation function were poor and the defects in shape with unsightly appearance， Innovation through the structure design is discussed in order to meet the different needs for both large cars and small cars of different collision，Simulation and experiment show that the crash barriers has high anti-collision、buffer and the orientation function are well， it can improve the overall protection capability and the level of the highway landscape.
Key Words：Single-Wave Beam；Barriers；Collision；Accident
随着我国高速公路的快速发展，高速公路交通事故呈现出数量增多和多数事故与护栏有关的特点。目前我国高速公路护栏一般为两波形梁钢护栏（防撞A级160kj见图1）和三波梁钢护栏的配合使用，个别路段使用缆索护栏（见图2）。防撞护栏防护小车时需要柔性设置，防护大车时需要刚性设置，而传统的以两波形梁钢护栏为代表的半刚性防撞护栏，对大车来说防护等级偏低（达不到规范要求的A级160kj），而对小车来说防护等级又偏高，没有足够的缓冲功能，甚至常发生小车下钻护栏卡死乘员的事故（见图3）。由此导致小车事故死亡率高，大车冲出路面或冲到对面而造成生命财产损失惨重（见图4）。因此，有必要本着“尊重规范，满足标准，注重创新”的原则设计一种新型半刚性护栏以解决小型车和大型车对护栏不同防撞要求的矛盾。
1 高速公路单波形梁钢护栏结构设计
高速公路A级单波形梁钢护栏由横梁、立柱、防阻块、螺栓等组成。横梁形式：单排横梁和两排横梁；护栏立柱形式：圆管立柱和缓冲立柱。与两波形梁钢护栏相比有其自身独特的结构和特点：外形美观，缓冲能力强，但需要安全性和经济性全部达到统一要求[1]。
1.1 横梁形式选择
设置单排横梁的优势：与两排横梁相比，同样钢材用量时单排横梁刚度大；施工工艺简便，安装费用低；使用热镀锌防腐工艺时费用低，圆环内余锌少；设置单排横梁的劣势：小车下钻问题难以消除；与目前的圆管立柱和缓冲立柱的配合难以实现经济性目标。由计算机模拟试验结果可知（见计算机仿真试验图5），图中4 mm的横梁与直径140圆管立柱4米间距的组合试验结果为未通过，同样2 M间距立柱没有更大改观[2-3]。
设置两排横梁的优势：上、下分排设置，更有利于小車的行车安全：下排横梁的设置消除了小车下钻事故发生的情况；上排横梁作用为拦阻小车翻越，同时引导小车向前方滑行；防护中型车辆时护栏上横梁拦阻车身，下横梁阻挡车轮；防护大型车时上、下横梁同时起拦阻作用。因而小车事故呈现柔性护栏的特征，大车事故则呈现半刚性护栏的特征，这意味着新型护栏有着柔性护栏和半刚性护栏的双重特征，对于不同的事故有着不同的变形过程，对于减少事故和减轻事故的严重程度尤其是降低事故死亡率都有着重要的意义。另外，两排设置整体通透，景观效果明显。设置两排横梁的劣势：钢材用量稍大。
综合以上对比分析，结合模拟试验结果，横梁采用两排设置可行性较好。
1.2 立柱形式选择
采用圆管立柱的优势：圆管立柱是目前我国高速公路的通用立柱，有利于改扩建工程重复使用从而降低工程造价；普通型材有利于采购加工，费用低；改变壁厚就可以调整刚度，提高实验成功率。采用圆管立柱的劣势：缓冲功能一般，倒伏后完全丧失反弹力，影响结构整体创新。
采用缓冲立柱的优势：缓冲功效好；有新颖性。采用缓冲立柱的劣势：加工成本高，不利于推广应用；一次不成功时刚度调整周期长，不利于完成实验。
根据性价比分析，钢材用量一定时缓冲立柱比圆管立柱优势有限，因而采用圆管立柱。
1.3 防阻块设计与改进
高速公路与两波形梁匹配的防阻块是六角形（见图5）。 其优势为碰撞发生时从横梁传力到立柱时间迅速，缺点是自身六角形对称设计极易扁平化，反弹能力弱不利于防阻功能的实现。传统的和创新设计的防阻块安装后的护栏图片如下。
综上所述，结构设计要点：一是上、下横梁如何节段连接成一体（横梁断面及连接形式改进见图6）；二是防阻块如何在碰撞过程中与护栏顺利脱开，这样不降低横梁的高度；三是防阻块能否创新设计能够使碰撞后的横梁高度保持或提升；四是立柱刚度与横梁刚度配合为整体防护最佳，使得车辆能顺利导出。
2 计算机仿真试验与实车碰撞实验
根据设计与优化列出试验计划，做过计算机模拟试验后进行实车碰撞实验，因车辆参数、护栏尺寸和钢材质量、安装误差等诸多因素的存在，模拟试验与实际实验之间存在一定差距，所以每次模拟试验的成功只作为实车碰撞实验的预演。如一次实验没有成功则需要分析车辆运行轨迹和护栏变形形态后对设计方案进行优化或调整。实际实验结果是方案1失败，方案2成功（见图7和图8）。
小客车以20度角撞击护栏，双向加速度分别为8.18g和13.51g，完成后小车前部只有保险杠处发生轻微损坏，不会对司乘人员造成伤害。碰撞完成后小车驶出角5.7度，驶入原来运行轨迹。整个过程中小车最大加速度没有超过规定的20 g。从实验结果可以看出在碰撞过程中护栏碰撞段横梁发生了较大变形，但保持原来结构，缓冲效果明显，起到了防止下钻和充分缓冲的保护作用。
大客车以20度角撞击护栏，完成后前部发生轻微损坏。碰撞完成后驶出角7.6度，驶入原来运行轨迹。整个过程中小车最大加速度没有超过规定的20 g。从实验结果可以看出在碰撞过程中护栏碰撞段横梁没有断裂，拦阻作用明显。
经实车碰撞实验验证该护栏防护系统符合JTG B05-01-2013《公路护栏安全性能评价标准》[4]和JTGD81-2006《公路交通安全设施设计规范》要求[5]，从而实现了防护小车时缓冲功能好，防护大车时拦阻效果明显的双重目标，有着广阔的市场应用前景。
参考文献
[1] 王松岩，焦红.钢结构设计与应用实例[M].北京：中國建筑工业出版社，2007：16-36.
[2] 雷正保.汽车纵向碰撞控制结构设计的理论与方法[M].长沙：湖南大学出版社，2001：23-62.
[3] 黄世霖，张金换.汽车碰撞与安全[M].北京：清华大学出版社，2000：66-108.
[4] 北京深华达交通工程检测有限公司主编，公路护栏安全性能评价标准（JTG B05-01-2013）[S]，北京：人民交通出版社，2013：5-18.
[5] 刘会学，李爱民，杨九龄.公路交通安全设施设计规范[S].北京：交通运输部公路科学研究院，2006：7-9.