高速公路中央分隔带开口旋转桶式活动护栏设计与安全性能分析

■黄伯承

（福建省高速公路养护工程有限公司，福州 350100）

随着现代交通的高速发展，高速公路护栏的防护等级要求也越来越受到国家的重视和社会的普遍关注，防护等级越高，司乘人员的生命安全就越有保障。2018 年1 月，交通运输部颁布的《公路交通安全设施设计规范》（JTG-D81-2017）正式实施，对高速公路中央分隔带开口护栏设置提出系统的要求：（1）防护等级不得低于三（Am）级；（2）方便开启与关闭、 具有可移动性， 宜在10 min 内开启10 m及以上的长度；（3） 与相邻中央分隔带护栏能合理过渡；（4）两固定端安装应牢固，连接部分应具有防盗功能[1]。 目前国内已通过实车碰撞试验并满足《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01-2013)的中央分隔带开口护栏型式主要有预应力式活动护栏、框架式活动护栏、梯形座式活动护栏、组合式活动护栏等不同的型式[2-4]；高速公路管理部门、科研院所针对各自实际提出各种各样的活动护栏型式并申请了专利[5-7]，有力促进了高速公路交通安全设施的研发[8-9]。 本文在吸收源自韩国、日本和美国提出的抗冲击旋转式防护栏设计理念，提出一种新型的可快速开启和安装的高速公路中央分隔带开口旋转桶式活动护栏， 且已通过实车足尺碰撞试验，安全性能满足三级（Am）防护等级的要求，同时具有开启关闭快、动态变形小、景观效果好、材料使用省、安装维护方便等特点，产品已获推广使用，取得了较好的经济和社会效益（表1）。

表1 旋转桶式活动护栏与现状部分型式护栏对比

1 中央分隔带开口护栏设计

1.1 结构设计

该高速公路中央分隔带开口旋转桶式活动护栏高度95 cm，长度根据现场实际设置，由两端过渡段和若干单元节段组成（图1）。 每个单元节段长度6 m，主要构件组成有：2 根长立柱、4 根短立柱、6 个旋转桶 （EVA 复合材料）、2 个钢套筒、4 根钢横梁等，每个旋转桶间隔1 m，见图2。 单元活动护栏长立柱下横梁两侧设置了支撑轮，可以克服施工中钢套筒钻孔误差， 确保活动护栏维持在同一个高度上； 单元活动护栏之间的连接机构采用内套筒连接， 单元活动护栏两端下横梁处设置了万向轮，方便卸载后推移。

图1 活动护栏总体布置图

图2 单元活动护栏布置图

长度40 m 的高速公路中央分隔带标准开口段， 布置6 个单元活动护栏， 两端各设置2 个2 m的过渡段。 为了适应高速公路中央分隔带开口部不同长度的调整要求，设计增加了拼装单元活动护栏长度5 m 节、4 m 节和3 m 节的设计， 以满足工程实际需求。

1.2 连接机构设计

单元活动护栏之间的连接机构设计主要考虑以下因素：（1）实现单元活动护栏之间的连接，满足碰撞强度要求；（2）便于开启和安装；（3）可以克服施工一定范围内上、下高差和左、右平差。

单元活动护栏之间的连接采用内置套筒连接方式，见图3。内置连接套筒长度400 mm，内套管上设置一个20×27 规格的插销孔和长度223 mm 的螺栓通孔，设置的螺栓孔用螺栓固定，插销孔用插销插拔。 单元活动护栏横梁端头各设置一个螺栓孔和插销孔， 螺栓孔与内置套管对齐后用螺栓固定，螺栓采用M18，8.8 级的防盗螺栓， 插销孔用插销插拔。 内置连接套筒的直径在满足强度要求的前提下，可以根据施工误差要求调整，当施工误差较大，或者活动护栏设置在曲线上时内置连接套筒外径可适当取小值。

图3 连接机构设计图

1.3 万向轮设计

为确保活动护栏在紧急情况下快速拆卸后方便移动，在单元活动护栏两侧各设置了一对万向轮，万向轮包含支撑轮和活动轮，活动轮具备转动功能，使用时可向外转动，不用时可收入横梁底部，不影响活动护栏正常使用。 活动轮主要防止护栏推移过程中出现倾覆； 支撑轮主要起到支撑整个单元活动护栏的作用。 为了确保单元活动护栏在推移过程中万向轮不会发生偏移，在支撑轮基座上设置了贯穿孔，活动轮向外旋转到位后用一根带弹簧的圆管固定，即可确保万向轮推移过程中保持稳定，见图4。

图4 万向轮设计效果图

1.4 端部过渡段设计

端部单元活动护栏横梁之间用连接机构连接，端部宽度从320 mm 过渡到500 mm，中央分隔带护栏端部宽度500 mm， 衔接1000、1500、2000 mm 等不同宽度的中分带，需要设置过渡段，过渡段长度根据现场实际调整。 活动护栏端部过渡段2 m 范围内两侧各用1 块过渡板（二波变三波）连接，另一端连接中分带护栏（图5、图6）。

图5 过渡段护栏立面图

图6 过渡段护栏俯视图

端部连接机构与单元活动护栏之间的连接机构一样，均采用内置套管连接，过渡段长立柱与过渡板之间通过螺栓连接，过渡板与中分带护栏拼接后用螺栓固定。

2 实车足尺碰撞试验及安全性能评价

2.1 碰撞试验条件

根据《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01-2013)对护栏不同防护等级对应碰撞试验条件的规定，Am 防护等级开口护栏的试验碰撞条件如表2 所示[10]。

表2 Am 防护等级开口护栏的实车足尺碰撞试验条件

小型客车和中型车辆的碰撞点应位于中央分隔带开口护栏中点和沿试验车辆行车方向距离中央分隔带开口护栏终点2 m 处的位置，共进行6 次试验，如图7 所示。

图7 中央分隔带开口护栏的碰撞点位置

2.2 碰撞试验结果

2.2.1 小型客车

根据小型客车护栏中点和端部碰撞试验结果，护栏最大横向动态变形值分别为0.35 m 和0.20 m，最大横向动态位移外延值分别为0.60 m 和0.50 m； 中点碰撞后自护栏起始端起第22.50～27.00 m 护栏横梁变形； 第9～11 根长立柱变形；车辆与护栏的刮擦长度为4.80 m；护栏最大残留变形为0.20 m。 护栏端部碰撞后自护栏起始端起第38.30～40.00 m 护栏横梁变形； 第13～16 根长立柱变形；车辆与护栏的刮擦长度为3.80 m；护栏最大残留变形为0.10 m。 护栏中点和端部碰撞护栏后，前保险杠、前大灯损坏；车辆前端凹陷或弯曲变形；左侧车体刮擦损坏。

2.2.2 中型客车

根据中型客车护栏中点和端部碰撞试验结果，护栏最大横向动态变形值分别为0.80 m 和0.45 m， 护栏最大横向动态位移外延值1.05 m 和0.75 m，车辆最大动态外倾值1.00 m 和0.75 m ，车辆最大动态外倾当量值1.20 m 和0.90 m。 护栏中点碰撞后自护栏起始端起， 第18.00～26.00 m 护栏横梁变形；第8～12 根长立柱变形；车辆与护栏的刮擦长度为9.40 m；护栏最大残留变形为0.72 m。 护栏端部碰撞后自护栏起始端起， 第36.40～40.00 m护栏横梁变形；第12～17 根长立柱变形；车辆与护栏的刮擦长度为4.60 m； 护栏最大残留变形为0.34 m。

2.2.3 中型货车

根据中型货车护栏中点和端部碰撞试验结果，护栏最大横向动态变形值分别为0.85 m 和0.40 m，护栏最大横向动态位移外延值1.15 m 和0.65 m，车辆最大动态外倾值分别为0.95 m 和0.55 m，车辆最大动态外倾当量值分别为1.10 m 和1.60 m。护栏中点碰撞后自护栏起始端起， 第18.50～33.70 m 护栏横梁变形； 第9～13 根长立柱变形；车辆与护栏的刮擦长度为12.50 m； 护栏最大残留变形为0.80 m。 护栏中点碰撞后，前保险杠变形；左前大灯损坏；车辆左前侧车体刮擦损坏。 护栏端部碰撞后自护栏起始端起， 第35.50～40.00 m 护栏横梁变形；第13～17 根长立柱变形；车辆与护栏的刮擦长度为7.50 m；护栏最大残留变形为0.34 m。 护栏端部碰撞后，前保险杠变形；前大灯损坏，前挡风玻璃破裂脱落；车辆左侧车体刮擦损坏。

2.3 安全性评价结论

实车足尺碰撞试验结果表明，该护栏对小型客车的阻挡功能、导向功能、缓冲功能以及对中型客车和中型货车的阻挡功能、导向功能均满足标准要求， 护栏中点和护栏端部最大横向动态变形值、最大横向动态位移外延值、 车辆最大动态外倾值、车辆最大动态外倾当量值均满足试验标准要求，试验结果有效。 因此，该护栏安全性能满足三级（Am）防护等级要求，产品可以在高速公路中央分隔带开口处推广使用。

3 产品特点

通过实车足尺碰撞试验和高速公路实际应用效果，该护栏具有以下主要特点：（1）开启快速。 可插拔和拆卸结构， 应急情况下可以实现3 min 内开启和推移12 m（2 节），远优于规范要求10 min 内开启10 m 的标准。 （2）安全升级。 通过旋转摩擦方式把瞬间冲击能转化成旋转能和摩擦能，有效降低车辆受损和人员伤害程度；通过旋转运动改变车辆反弹角度，能重新恢复车辆的正常行驶方向，降低二次事故风险，极大提高安全保障。 （3）材料节省。产品造型简洁，大大节约材料成本，每延米使用材料约78 kg，是目前市场同类产品材料用量的50%～80%。（4）造型美观。美观的造型及靓丽的旋转桶具有较好的视线诱导功能，可提升路容路貌，有效缓解司机驾驶视觉疲劳，减低事故发生率，尤其是夜间及雨天效果更为明显。（5）安装简便。产品设计精巧，单元组装后在现场可实现便捷安装，大大减少现场作业时间，有效降低涉路作业危险。 （6）维保简单。 受车辆撞击后仅更换局部受损配件即可，无需大面积更换；旋转桶为EVA 复合材料，具有抗化学物质腐蚀、抗老化、抗候性等特点，受车辆撞击不易破损，使用寿命周期（10 年）内无需更换。

4 结语

该新型可快速开启和安装的高速公路中央分隔带开口旋转桶式活动护栏，经过小型客车、中型客车、中型货车3 种车型在护栏中点和端部实车足尺碰撞试验，各项指标均满足《公路护栏全性能评价标准》(JTG B05－01－2013)的要求，防护等级达到三级(Am 级，防护能量160 kJ)，同时具有开启关闭快、动态变形小、景观效果好、材料使用省、安装维护方便等特点。 该新型活动护栏的研发与应用，将推动高速公路中央分隔带开口护栏的型式发生“革命性”变化，在高速公路安全管理上增强安全屏障、 预防和减少交通事故及降低事故恶性程度上发挥重要作用， 对于提升高速公路运营安全具有重大意义。