摘要 為使改造后的路側護欄的防護能力滿足現行規(guī)范的要求，通過分析護欄的功能、分類及其對道路安全性能的貢獻，對護欄結構形式、改造方法的研究進行了綜述?？偨Y和回顧了護欄材料、結構設計以及未來研究的發(fā)展趨勢，提出了用實車碰撞試驗和計算機模擬在護欄設計改造中的應用，應更加關注護欄材料參數的研究、評價指標的完善以及智能交通系統(tǒng)整合等方面，研究可為設計更安全、經濟、美觀且符合綠色發(fā)展理念的新型護欄提供理論參考。

關鍵詞 波形梁護欄；護欄改造；交通工程；高速公路

中圖分類號 TU528.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）18-0191-04

0 引言

隨著我國經濟的大力發(fā)展，截至2022年底我國公路通車里程已突破535萬公里，汽車保有量已經達到了4.17億輛。在我國交通事業(yè)突飛猛進的同時，道路車輛結構和參數也在發(fā)生極大的變化，車輛安全防護需求發(fā)生變化。據統(tǒng)計，目前我國每年發(fā)生的交通事故數已達到20多萬起，其中在高速公路交通事故中，路側事故占比較高[1]，且主要發(fā)生在路側護欄處。

根據現行《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013）[2]和《公路交通安全設施設計細則》（JTG D81—2017）[3]的要求，早期建設的護欄安全設施無法滿足當今的安全防護的需求。因此，使原有護欄的防護能力得到保障，對改善公路路側安全和保障駕駛員及乘客生命安全有著重要意義[4-5]。

1 公路護欄概述

1.1 護欄功能與分類

護欄作為一種交通安全設施，本質上屬于一種縱向吸能結構的障礙物，主要設置在道路路肩處以及中央分隔帶處，其主要作用是降低事故的傷害程度，最大限度保護生命財產安全，減少損失。實現的方法是通過護欄碰撞過程產生的變形，以及對碰撞過程中的動能能量的吸收，完成對車輛的順利導向，護欄的功能包括：（1）阻隔車輛沖出路外或沖向對向車道，避免二次車禍事故發(fā)生；（2）車輛與護欄碰撞時，吸收碰撞能量，減少對人員、車輛的傷害；（3）避免車輛在護欄板下鉆出；（4）指導駕駛員的視線，美化道路。

護欄一般設立在依山傍水路、高路堤、急彎等對駕駛人員造成一定危險的地段。公路護欄設計應堅持安全第一的準則，綜合考量公路耐久性、經濟性和景觀等因素，提升公路護欄設計合理性，保證高等級公路通行安全、順暢，同時在一定程度上美化公路。對于護欄的分類，按照設置位置、結構性能、使用路段，護欄有不同的分類[6]，按照設置位置，護欄可分為路側護欄、中央分隔帶護欄；按照護欄的使用路段，可分為路基護欄、橋梁護欄；按照結構特性，護欄分為剛性護欄、半剛性護欄、柔性護欄。每種護欄都有其不同的受力特性及適用場景。

1.2 路側波形梁護欄構造型式

波形梁護欄是半剛性護欄主要的結構形式，其主要結構部件是立柱、防阻塊、波形梁板，其主要特性是通過護欄系統(tǒng)間變形來實現對車輛碰撞過程的導向，當車輛與護欄發(fā)生碰撞后，首先與車輛接觸的梁板開始變形，能量然后逐漸傳遞到防阻塊，最后傳遞至立柱，其特點是后期易于養(yǎng)護、拆除和改造，也具有一定的視線誘導功能，但因其材料特性的原因，波形梁護欄容易發(fā)生材料腐蝕，從而導致護欄的防護能力的下降。標準規(guī)范一般按照設計防護能量將護欄防護能力進行分級，目前高速公路路側波形梁護欄設置較為廣泛的有A級護欄、SB級護欄、SA級護欄。

2 路側護欄的設計和改造綜述

2.1 路側護欄的設計

國內外早期對于護欄的設計研究主要是通過大量的實車碰撞試驗來積累資料，并通過相關理論研究，對相關的護欄碰撞的結構形式的受力特性規(guī)律進行研究，設計出符合道路路側安全的護欄結構型式，制作相關的護欄設計規(guī)范及準則，提高道路路側安全，為后來的護欄研究提供參考和理論基礎。

Malcolm H. Ray等[7]通過實車和全尺寸試驗對波形梁連接進行研究，在立柱與護欄設置支撐構件來增強波形梁系統(tǒng)防撞性能，這也成為后來波形梁護欄設計的重要結構部分。隨著計算機的快速發(fā)展，研究手段也在不斷改進，Ali O. Atahan[8]使用LS-DYNA演示了計算機模擬如何以經濟高效的方式補充大規(guī)模碰撞試驗，研究中使用了之前對失效的堅固立柱護欄系統(tǒng)進行的全尺寸碰撞試驗的結果，結果表明計算機模擬技術在評估和改善道路安全特征的沖擊性能方面的能力。Plaxico等[9]通過計算機對車輛碰撞過程中的護欄進行模擬，研究觀察埋置在土壤的立柱受力情況，其研究發(fā)現了立柱最大受力彎矩出現在距離地面350 mm處，這為以后運用計算機模擬護欄受力情況提供了很好的參考。Vesenjak等學者[10]對波形梁防阻塊進行研究，通過計算機模擬不同結構形式的護欄碰撞系統(tǒng)，探討其對車輛防護能力的影響規(guī)律，結果發(fā)現六邊形防阻塊結構形式的護欄系統(tǒng)對于車輛的緩沖更優(yōu)，吸收能量更多，這也成為后來護欄防阻塊的重要結構形式。

邰永剛等[11]研究部件的連接設置對于護欄系統(tǒng)防撞性能的影響，通過模擬部件連接的護欄系統(tǒng)和缺失連接的護欄系統(tǒng)，對比分析得出護欄部件連接與碰撞防護性能的影響規(guī)律，這成為公路養(yǎng)護部門的一個重要參考依據。肖佑業(yè)[12]針對波形梁立柱在碰撞時對于車輪的絆阻現象進行相關研究，通過對護欄結構系統(tǒng)以及對碰撞過程中護欄系統(tǒng)的受力狀況進行分析，最后指出波形梁護欄剛度的不足是產生阻絆現象的主要原因。李文勇等人[13]針對高速公路常設置的波形梁護欄進行研究，建立廂貨－護欄碰撞模型，從駕駛員安全性、車輛行駛軌跡以及護欄損壞程度三個方面進行仿真分析，認為W形護欄無法滿足廂貨碰撞過程的駕駛員安全，建立護欄結構設計應該著重考慮，為之后的設計人員提供理論參考。周翔海等[14]人對立柱的四種埋置方式進行承載力研究，通過計算機模擬仿真和實車試驗分析，得出當立柱抗彎度與折彎點成反比。許穎等[15]運用Newmark β理論對汽車－護欄碰撞模型計算進行簡化，分析汽車轉動對碰撞計算結果的影響，通過計算機模型仿真證明考慮汽車轉動的碰撞計算結果更加準確。

2.2 路側護欄的改造

國外對于護欄改造設計發(fā)展歷程較早，國內的護欄改造的研究的成果也較為豐富。

Reid等[16]對現有的波形梁進行了三種改造方案設計，分別為在護欄立柱上方加鋼纜、在防阻塊里填充緩沖物、在波形梁板后部加鋼纜，經過計算機仿真模擬，分析表明三種改造方案對于護欄防護能力都有著極大的提高，其中立柱上方加鋼纜效果最佳。Hanfeng Yin等人[17-18]基于計算機的數值模擬，對波形梁進行相應的改造研究，設計出“η形”和“SWG形”的新型波形梁護欄，提高了護欄的防護性能。Dong W. Lee等人[19]設計了圓形、方形、三角形三種改造方案，探究不同立柱結構形式對護欄防護能力的影響，建立了卡車—護欄有限元模型，模擬結果表明圓形立柱的防護能力最好，三角形立柱護欄的對車輛的緩沖效果最佳。Ronald K. Faller等[20]結合本國車輛特點，對波形梁護欄提出了新型的改造方案，與傳統(tǒng)護欄機構相比，該改造方案的立柱間距較少1/4，并增設了152 mm高混凝土路緣，通過有限元模擬結果表明該改造護欄為重心較高的車輛碰撞提供了更高的安全性。Xianglong Sun[21]對傳統(tǒng)移動護欄進行分析，使用力學分析和有限元模擬技術來對活動護欄進行結構優(yōu)化，建立了卡車—護欄碰撞模型，根據結果對護欄壁厚和立柱間距進行優(yōu)化，結果表明當護欄壁厚增加2 mm時，護欄的耐撞性明顯提高。

荊迪菲等人[22]提出了內套管節(jié)點加高的波形梁改造方案，該改造方案能夠提高B級舊護欄防護能力。蘇曉東[23]提出了在混凝土護欄上進行整體加高的三種設計方案，并利用有限元仿真進行了護欄安全性能驗證。除了舊護欄改造提升防護能力外的研究，還有通過改造護欄，提升護欄防護等級的研究，劉航[24]通過對原有舊護欄的改造設計，將波形梁護欄進行加高和雙波改造，實現了舊護欄防護能力向更高等級的提升。楊濟匡等人[25]基于規(guī)范中的A級和B級護欄進行仿真模擬建模，發(fā)現護欄碰撞吸收能量占總能量不到1/2，護欄最大變形量較大，通過對這兩種護欄改造設計，使得護欄碰撞吸收能量得到顯著提高。王維利等[26]通過計算機模擬仿真，建立了5種高度的護欄碰撞耦合模型，分析表明當護欄設置高度低于標準護欄高度150 mm時，汽車碰撞會發(fā)生側翻，需要進行加高設計。閆書明等人[27]通過實車試驗和計算機模擬仿真相結合的方法，探討了護欄高度和結構變化與護欄防護能力的影響規(guī)律。田遠[28]提出在立柱中加入鋼筋的結構改造方案，并進行了重錘沖擊試驗，表明了改造護欄強度高于規(guī)范護欄強度。

除了一些護欄結構本身的研究，國內還有一些對于新型組合設計的研究。賈寧等人[29]利用鋼管構件變形吸能的原理，在混凝土護欄加入吸能鋼管，設計出新型組合護欄，使護欄達到消能和減速的效果。周煒等人[30]通過實車碰撞試驗研發(fā)了一種新型的半剛性鋼架緩沖球護欄，該新型護欄滿足規(guī)范設計的防護性能要求，最后并于傳統(tǒng)半剛性護欄進行對比分析，分別闡述了兩種護欄防護性能的優(yōu)缺點。雷正保等人[31]在分析PVC和Q235的力學性能后，設計出新型PVC護欄，結果表明該新型護欄能夠達到A級防護能力。肖佑業(yè)[32]設計出了新型的倒“L形”護欄系統(tǒng)，該護欄經過模擬仿真表明，與傳統(tǒng)的護欄結構形式相比，該護欄能夠很好地解決車輛碰撞過程中的絆阻問題。楊永奇等[33]將泡沫鋁材料應用到護欄防阻塊中，設計出新型泡沫鋁防阻塊防撞護欄，經過實車試驗表明該新型護欄在車輛緩沖方面優(yōu)于傳統(tǒng)護欄。

3 發(fā)展趨勢

隨著道路的快速發(fā)展，道路安全設施的安全研究逐漸增多，研究方法也在不斷完善。從波形梁護欄設計研究來看，最開始的實車碰撞試驗完善了相應的護欄規(guī)范準則，是工程實踐中路側護欄建設的重要依據。從波形梁護欄改造研究來看，計算機仿真研究已經成為護欄安全性能研究的重要研究方法，波形梁護欄改造方式主要是優(yōu)化護欄結構尺寸、增加護欄結構厚度、增設立柱及梁板、采用新型結構材料等方法，且已經在工程實踐中取得很好的效果，但從日益變化的發(fā)展建設環(huán)境來看，護欄改造及新型護欄設計研究要求也有了新的變化，后續(xù)的研究需要在以下幾個方面進行研究。

（1）護欄材料參數的研究，在護欄改造設計研究中，護欄結構材料是一個容易忽略的參數，但其實在目前實際工程應用中，安全設施建設需要符合綠色發(fā)展理念，新型環(huán)保材料或者新型組合設計方案是一個研究重點，應該著重研究。

（2）護欄方案評價指標的研究，目前有關護欄安全方案安全評價主要是以防護能力為主來進行評價，即從護欄評價規(guī)范中規(guī)定的阻擋功能、緩沖功能和導向功能三方面進行對比分析，但缺少護欄碰撞過程中各部件的能量吸收值、護欄碰撞的應力應變、碰撞力等指標，這些指標在實車試驗中不能很好地體現出來，需要對指標進行額外的安全性分析。

4 總結

該文從公路護欄的功能與分類出發(fā)，詳細論述了路側護欄在保障駕駛員及乘客安全方面扮演的關鍵角色，通過對波形梁護欄構造、設計與改造的國內外研究現狀出發(fā)，總結出如下三點：

（1）護欄設計與改造的重要性：波形梁護欄有吸收碰撞能量、減少事故傷害方面的功能，合理地設計和改造護欄對于提升道路安全性有重要作用。隨著道路交通環(huán)境的變化和車輛結構的演進，護欄性能的要求在提高，也強調了持續(xù)改進護欄設計的必要性。

（2）研究與技術進步的貢獻：護欄從實車碰撞試驗到計算機模擬的研究，展示了科技進步促進護欄設計與改造方法的革新。通過對國內外學者關于護欄改造的多種設計方案的研究，證明了科學技術在推動護欄防護能力提升方面的重要作用。

（3）未來研究的方向：面對未來道路安全設施的研究與發(fā)展，建議多關注護欄材料參數的深入研究和護欄方案評價指標的完善。隨著智能交通系統(tǒng)的發(fā)展，將智能元素整合到護欄設計中，如傳感器和警示系統(tǒng)，將是提高預警和防護能力的關鍵方向。同時，探索符合綠色發(fā)展理念的新型環(huán)保材料或組合設計方案，以設計出更加安全、經濟、美觀的新型護欄，是未來研究的重要內容。

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