防止公路陡崖峭壁路段坠车事故交通科技管理中心.docx
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防止公路陡崖峭壁路段坠车事故交通科技管理中心
公路陡崖峭壁护栏的开发研究
报告简本
引言
在西部大开发的新形势下，西部地区的公路建设得到了迅速发展，高等级公路向山岭重丘区延伸，交通安全问题也日益突出。
一般公路缺乏安全设施，车辆坠落陡崖的事故频繁发生；高速公路按照现行规范设置的安全护栏防护能力相对不足，也存在着严重的安全隐患，车辆越出护栏的坠车事故屡有发生。
为减少或避免车辆坠崖恶性交通事故损失，提高山区公路交通的安全性和运营效益，交通部在2001年西部交通建设科技项目计划中立项开展“公路陡崖峭壁护栏的开发研究”。
该项目于2002年底已按合同要求完成，成功开发出了三种用于山区公路陡崖峭壁路段的安全护栏，于2003年7月通过了交通部组织的专家技术鉴定，专家认为：
本项目填补了我国山区公路陡崖峭壁路段护栏研究的空白，研究成果处于国内领先水平，其中，陡崖峭壁护栏的系统设计方法达到了国际先进水平。
新型护栏已在云南省昆明-石林和元江-磨黑两条高速公路危险路段及两条一般公路事故多发路段应用。
1项目研究目的意义
近年来，我国公路交通事业取得了举世瞩目的成就。
截止2002年底，我国高速公路里程已达2.52万公里，跃居世界第二位。
但是，随着公路运输事业的发展，我国交通事故状况也日趋恶化，特别是近几年来，交通事故率和事故损失急剧上升。
据公安部交通管理部门统计，2002年共发生交通事故77.3万起，死亡人数达到10.9万人，经济损失达到33.2亿元。
这些交通事故中，死于公路交通事故的人数约占80%，而在公路交通事故中，有许多是发生在山区公路上的，特别是发生在陡崖峭壁路段的坠车事故，常常造成车毁人亡的惨重损失。
本项目成果，为我国山区公路陡崖峭壁危险路段提供了安全可靠、经济实用的护栏结构形式及其设计方法，可有效地拦阻失控车辆坠落悬崖，减少或避免生命和财产损失，具有重大的经济效益和社会效益。
同时，本项目成果填补了我国山区公路危险路段护栏技术研究的空白，为完善我国公路护栏结构体系，以及为制（修）订相关技术规范提供科学数据等方面，也都有其重要的学术价值。
2国内外研究概况
美国从1920年开始护栏研究工作，是研究最早、最深入的国家之一。
1962年，在美国联邦公路管理局与国家运输部支持下，美国公路联合会组织相关科研机构等开始实施《全国高速公路合作研究计划（NCHRP）》，系统地开展安全护栏的研究，几乎每个州都有护栏碰撞实验场，开发出许多性能良好的护栏结构，如H型立柱三波梁钢护栏、木质与复合材料托架、新泽西和单坡面混凝土护栏等，并不断修改完善公路护栏的标准、规范，与1993年颁布了新的护栏技术规范《350报告》。
在欧洲，法国、英国、德国等国家也早就开始了护栏的研究工作，建立了实验设施和实验规程，设计出多种结构形式的护栏，目前正进行标准的统一工作。
日本于20世纪50年代在名神高速公路开始使用护栏，在1965年制定了护栏设置纲要，明确规定护栏的使用范围、功能要求、结构设计和施工安装方法，1998年，日本道路协会颁布实施了护栏设置的新标准，代替使用26年（1973年编制）的护栏设置纲要，提高了护栏的防护标准。
但还未见到国外有关对陡崖峭壁危险路段护栏进行专门研究的资料。
我国“七五”期间开始高速公路护栏设计、施工等方面的研究，交通部科学研究院公路科学研究所与清华大学等单位合作，研究开发了波形梁Z型立柱护栏等钢护栏。
但是，迄今为止我国尚没有对护栏进行过系统的研究，研究的领域不够广泛，自主开发的护栏结构形式也很少，实验研究护栏的基础装备和技术力量与发达国家存在一定的差距。
3主要研究内容与试验工程
3.1主要研究内容
本项目主要研究内容包括四个方面：
1）公路陡崖峭壁护栏碰撞实验条件的研究；
2）公路陡崖峭壁护栏评价标准的研究；
3）陡崖峭壁护栏结构参数及其防撞性能的研究；
4）实车足尺碰撞验证实验。
3.2试验工程
新型高速公路陡崖峭壁护栏的试验工程在昆（明）-石（林）和元（江）-磨（黑）两条高速公路上实施，共修建12.5公里的实验工程。
一般公路新型混凝土护栏，在云南开远公路管理总段境内的326国道和新（哨）-丘（北）线三级路上修建430米试验工程。
4碰撞实验条件和评价标准
4.1碰撞实验条件
车辆碰撞护栏时，对护栏的作用力取决于车辆的质量、碰撞速度以及车辆与护栏纵轴线间的夹角，这三个因素即护栏的设计条件，也是进行实车碰撞实验的技术条件。
在分析国内外调查资料的基础上，并结合现行有关标准拟定了我国山区公路护栏的碰撞实验条件，如表4-1所示。
表4-1山区公路碰撞实验条件
车型
高速公路
一般公路
车质量
（t）
碰撞速度
（km/h）
碰撞角度
（°）
车质量
（t）
碰撞速度
（km/h）
碰撞角度
（°）
小客车
1.5
80
20
1.5
60
20
大客车
14
60
14
40
4.2评价标准
评价标准是用来判断护栏结构是否满足安全评价标准要求的相关指标，本项目的护栏评价标准为：
1）结构防护能力：
车辆不得越出护栏；
2）乘员安全风险：
在系安全带的情况下，乘员纵向最大加速度（10ms最大平均值）不大于20g；
3）车辆运行轨迹：
车辆的驶出角度不大于碰撞角度的60%。
一般不驶入相邻车道。
5高速公路混凝土护栏的开发
5.1座椅式基础的确定
对于修建在高挡墙、高路堤上的护栏，其安全性主要取决于护栏基础的稳固性，因此，合理的选择护栏基础形式成为陡崖峭壁护栏结构开发的关键。
通过理论分析和模型实验结果，优选确定了座椅式的基础形式。
座椅式基础的腿部伸入到路面基层中，利用路面基层对基础腿部位移产生的抗力来提高护栏的倾覆稳定性，受力形式合理。
护栏
路面
基础
路面基层
挡土墙
基础腿部
图5-1座椅式基础形式
5.2护栏结构形式选择
根据以往护栏实践经验，从陡崖峭壁护栏对安全性能的要求和便于施工两方面考虑，拟定了陡崖峭壁混凝土护栏的基本形式为顶部设有阻爬坎的单坡面墙式护栏，见图5-2。
图5-2陡崖峭壁混凝土墙式护栏基本形式
在基础稳固的条件下，护栏的防撞能力和导向功能主要取决于护栏的高度、迎撞面坡度和断面强度。
5.2.1护栏迎撞面坡度的选定
护栏的迎撞面坡度以坡面线与垂线的夹角来表示，通过动态数模拟计算进行优选，并经过13°和11°两种坡面护栏实车碰撞实验的检验，从车辆导向和乘员冲击加速度综和效果分析，11°坡面优于13°坡面。
因此，本项护栏迎撞面坡度选用11°。
5.2.2护栏高度的确定
护栏高度是护栏的一项重要参数，与车辆的重心高度、碰撞能量、护栏的坡面形式等诸多因素有关，参照国内外的经验，我们取护栏的高度为100cm。
5.2.3座椅式护栏结构
通过以上护栏各部分结构形式和主要参数的选择，确定了陡崖峭壁路段混凝土护栏的断面结构如图5-3所示。
图5-3座椅式护栏断面形式
5.3护栏结构强度与稳定性计算
5.3.1碰撞力计算方法
鉴于现行规范中所提供的碰撞力公式计算结果与实际有较大差距，本项目研究提出了建立在单自由度计算模型上的混凝土护栏碰撞力公式。
单自由度的计算模型，图5-4。
（式5-1）
单自由度模型中车辆的运动方程为：
则最大碰撞力为：
（式5-2）
式中：
m——车辆总重量（kg）；
k——汽车的弹性模量（N/m）；
V——速度的横向分量（m/s）。
k的取值对计算结果的影响很大，通过对国内外大量足尺实验资料的回归分析，得到以下的经验计算公式：
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——车辆自重（kg）；其余符号同上式。
我们把用此公式计算的结果同现行交通安全规范（JTJ074-94）[1]说明中提供的实验值及福建省“高速公路桥梁护栏的研究开发”项目中的实测碰撞力进行了比较，列于表5-1、5-2，其计算值与碰撞实验所得实测值比较接近，表明了此公式的可靠性和实用性。
表5-1计算值与规范说明中实验值的比较（单位：
kN）
计算方法
质量（kg）
布卢姆试验值
布什试验值
本公式计算值
2043
133.4
124.5
141.9
9080
311.4
373.6
374.2
18160
667.2
667.2
640.7
31780
1112
1029.9
表5-2计算值与福建桥梁护栏实验结果比较
项目
实验序号
自重
（kg）
总重
（kg）
碰撞速度
（km/h）
碰撞角度
（°）
实测力
（kN）
本公式计算值
（kN）
1
1400
2000
91.5
21.6
192.4
188.4
2
9730
18000
81
21.1
589.1
648.2
3
1350
2000
95
19.2
176.4
173.4
4
4350
20000
64
20.5
443.2
445.1
5
9120
18000
79
19.9
536
584.8
6
13000
20000
86
21.1
797.6
784.5
5.3.2护栏结构强度与稳定性验算
1.碰撞力
按照碰撞条件：
14t大客车、碰撞速度60km/h，碰撞角度20°，
由式5-2得出护栏横向碰撞力为265.8kN。
2.护栏配筋设计
护栏的配筋设计按照《钢筋混凝土桥梁设计规范》中悬臂板的设计方法进行，竖向筋为受力筋，横向钢筋为结构筋。
根据福建桥梁护栏的研究成果：
碰撞力的作用高度取0.87m，碰撞力的分布宽度取5.76m。
计算结果：
受拉区钢筋面积计算值为3.28cm2，取钢筋直径为12mm、间距0.2m，实际钢筋面积为5.66cm2/m。
外侧钢筋与架立钢筋按照结构要求配置，分别为12mm和8mm的钢筋。
基础与护栏采用相同规格数量的主筋。
基础及护栏结构的抗剪强度验算满足要求。
3.稳定性验算
护栏结构的稳定性验算，包括倾覆稳定性和抗滑移稳定性也均满足要求。
5.4实车碰撞实验
5.4.1实验情况
实车碰撞实验在北京深华科公司昌平交通工程实验场进行。
照片5-1实验场全景
本项护栏进行了两期实验，一期护栏坡面为13°，从安全上考虑护栏主筋采用了Φ14mm，基础腿部间隔设置，进行了2部小轿车和2部大客车的碰撞实验，实验结果表明：
所设计的座椅式混凝土护栏能够有效地阻止车辆冲越护栏；但护栏刚度偏大，车辆运行轨迹也不够理想。
为此，对护栏结构做了改进，坡面改为11°，护栏主筋改用Φ12mm，并为便于施工将护栏基础腿部改为连续设置，进行了二期实验。
二期实验共进行了六次，实验情况见表5-3。
表5-3混凝土护栏二期碰撞实验情况汇总表
实验序号
项目内容
第1次
第2次
第3次
第4次
第5次
第6次
（破坏性）
车型
小轿
小轿
大客
小轿
大客
大货
总质量（t）
1.5
1.5
14
1.5
14
20
碰撞速度（km/h）
79
61
63
81
82
86
碰撞角度（°）
21.4
26.3
19.6
19.9
21.2
19.9
驶出角度（°）
5.71
6.84
0
4.3
0
0
最大位移（mm）
2.10
1,62
93.71
4.34
158.8
/
纵向最大
加速度
头部
9.96
18.3
4.64
14.75
8.68
/
胸部
6.2
10.89
2.83
6.25
3.91
/
续表5-3混凝土护栏二期碰撞实验情况汇总表
车辆轨迹
本车道
未翻车
本车道
未翻车
本车道
未翻车
相邻车道
未翻车
本车道
未翻车
本车道
未翻车
护栏损坏
表面擦痕
表面擦痕
表面剐痕
挡坎局部
破损背面
多条裂缝
表面擦痕
裂缝未
开展
表面剐痕
挡坎局部
破损背面
裂缝增多
大面积剐
痕挡坎局
部破损裂
缝增多扩展
车辆损坏
保险杠、
前悬损
坏较重右
前体变形
保险杠、
前悬损坏
严重右前
体变形
保险杠严
重变形右
前体凹陷
变形
保险杠变
形较重、
右前体变
形严重
保险杠严
重变形前
轮爆胎右
前体变形
严重
保险杠变
形较重、
前悬损坏
右前体变
形严重
注：
加速度为纵向10ms最大平均值（g）。
5.4.2实验结果分析
实验结果表明：
1）从两期实验的护栏变位、应变和乘员加速度实测值的比较可以看出，二期护栏结构刚度明显降低，见表5-4和表5-5。
表5-4一、二期实验测试结果对比
项目
实验
速度
（km/h）
角度
（º）
能量
（kJ）
最大位移（mm）
护栏主筋最
大应变（µε）
一期第4次大客
63.8
20.6
272
17.70
136
二期第3次大客
63.0
19.6
241
93.71
241
表5-5 一、二期乘员加速度实验测试结果对比
项目
小轿车最大纵向加速度（g）
大客车最大纵向加速度（g）
头部
胸部
头部
胸部
一期护栏
12.68
18.21
5.72
8.94
二期护栏
14.75
6.25
4.64
2.83
2）小轿车和大客车乘员所受到的冲击加速度全部在20g以下，满足评价标准的要求。
3）护栏的导向功能良好，二期实验6部车的驶出角度均小于碰撞角度的60%。
照片5-2小轿车沿本车道驶出轨迹照片5-3大客车碰撞后沿护栏向前滑行
4）护栏防撞能力满足设计要求。
护栏的防撞能力取决于大客车的碰撞能量，第3次大客车实验按照设计实验条件碰撞（碰撞能量224kj），护栏有效地将车辆拦住没有越出，最大位移9.37cm，护栏主体没有破坏，只是挡坎局部破碎，只需局部修补，仍可继续使用。
见照片5-4及图5-3。
图5-3 护栏背面裂缝 照片5-4 护栏挡坎局部破碎
5）护栏有足够的安全储备。
为了检验护栏的安全度，对在设计条件下碰撞已受到损伤的护栏，进行了超负荷的第5次实验，将车速提高到80km/h，碰撞能量达474.94kJ，比设计条件提高了一倍。
实验结果表明：
护栏仍然有效地将车辆挡住并顺利导出，护栏主体结构没有发生破坏，挡土墙也完好无损，只是护栏背面裂缝增多。
见图5-4及照片5-5、5-6。
图5-4护栏背面裂缝情况
照片5-5 挡坎局部破碎 照片5-6超载碰撞后挡墙完好
为了探明护拦的极限能力，最后又用20t的大货车（太脱拉）以86km/h、19.9°碰撞角，碰撞能量661kJ（为设计条件的2倍），进行破坏性实验。
实验结果：
护拦仍然没有被撞坏，还能够将大货车拦住并顺利导出，但护栏已有较大损伤，基础与路面接缝开裂。
我们认为，已接近破坏，此时护栏的抗撞能力达到了极限状态。
见照片5-7、5-8。
照片5-7 大货车碰撞护栏损伤状况 照片5-8基础与路面间裂开
5.4.3实验结论
根据以上分析，我们认为：
该座椅式混凝土护栏，在结构强度和稳定性上都满足了设计防撞能力的要求，能够有效地阻止车辆冲出或翻越护栏，并具有较好的导向功能，乘员所受到的加速度也都控制在容许范围内，各项安全指标均满足评价标准要求。
5.5混凝土护栏设计方法
通过对高速公路混凝土护栏研究过程的归纳分析，我们得到了混凝土护栏设计的方法步骤如下：
1.拟定护栏的高度。
2.通过动态数值模拟软件的模拟实验确定护栏的内侧坡面形式。
3.应根据实际的道路条件来选择确定护栏的基础形式。
4.护栏的结构强度设计与稳定性验算。
采用上述方法设计的护栏在投入使用之前，必须经过实车碰撞实验的验证，以确保护栏的防护性能能够达到设计要求。
6一般公路混凝土护栏的开发
一般公路混凝土护栏的内坡面形式和基础形式应用了高速公路混凝土护栏的研究成果，结构强度设计与高速公路混凝土护栏的方法相同。
开发也经历了两个阶段，一期护栏刚度偏大，成本较高，二期实验对护栏结构进行了改进。
6.1护栏结构形式
一般公路混凝土护栏也采用座椅式护栏的基本形式，护栏迎撞面采用单坡面，坡度为11°，护栏高度为90cm，顶部不设置阻爬坎，基础高度为40cm，护栏的断面形式见图6-1所示。
图6-1一般公路混凝土护栏结构形式
6.2护栏结构设计
设计参数如下：
Ø按照14t大客车、碰撞速度40km/h、碰撞角度20°的设计条件，计算得到设计横向碰撞力为：
177.2kN。
Ø碰撞力的作用高度为0.87m。
Ø碰撞力的分布宽度为5.76m。
计算得知，受拉区钢筋面积计算值为2.78cm2。
采用II级钢筋，直径为10mm、间距为0.25m，则实际的钢筋面积为3.14cm2/m。
基础与护栏仍采用相同的主筋，护栏结构的稳定性验算满足要求。
6.3实车碰撞实验
6.3.1实验概况，见表6-1。
表6-1实测实验参数
实验编号
碰撞车型
质量
（kg）
碰撞速度
（km/h）
碰撞角度
（°）
碰撞能量
（kJ）
一期
实验
1-1
小客车
1,500
58
19.8
22.34
1-2
大客车
14,000
53
20.1
179.2
1-3
小客车
1,500
83
20.1
47.08
续表6-1实测实验参数
1-4
大客车
14,000
64
19.8
253.85
1-5
大客车
14,000
80
20.8
435.9
二期
实验
2-1
大客车
14,000
42
19.6
107.21
2-2
大客车
14,000
61
20.3
241.91
6.3.2实验结果分析
1．二期护栏的整体强度和稳定性足够，将车辆有效拦住并顺利导出，满足了安全防护要求。
护栏顶局部损坏形态见照片6-1、6-2。
照片6-1、6-2 护栏局部损坏
2．二期护栏的结构强度和刚度比一期护栏有了明显的降低。
3．在设计条件下，乘员所受到的冲击加速度全部在安全标准要求的范围
内。
4．车辆运行轨迹，所有车辆的驶出角度均远小于碰撞角度的60%，护栏的导向能力很好。
6.3.5实验结论
所开发的一般公路陡崖峭壁混凝土护拦具有较强的防撞能力，能够有效地阻止车辆越出护拦，安全可靠，导向功能好，对乘员的冲击满足评价标准的要求，可以在山区一般公路的危险路段上使用。
7高速公路钢护栏的开发
首先对钢护栏的设计方法进行研究，提出了钢护栏碰撞力的计算方法，并对钢护栏进行结构强度设计。
然后通过动态有限元数值模拟计算分析对护栏防护结构方案进行优选，最后通过实车足尺碰撞实验验证其防护性能。
7.1钢护栏碰撞力的计算方法
提出了新的钢护栏碰撞力计算方法。
在忽略护栏自身质量的情况下，将车辆与护栏的碰撞简化为双弹簧单自由度系统，如图7-1。
根据作用力与反作用力定律和能量守恒定律得到如下方程组：
，（式7-1）
。
根据护栏设置的实际条件确定钢护栏的最大允许横向位移，车辆模量采用与本文混凝土护栏碰撞力计算中相同的公式，进而计算出碰撞力。
最大碰撞力的计算公式为：
（式7-2）
式7-1、7－2中：
Fmax——最大碰撞力（N）；
k1——护栏的弹性模量（N/m）；
k2——汽车的弹性模量，由下式进行计算：
k2=（0.3*m0*θ+12.1*m0+551.7*θ+164797.8）（N/m）；
采用上述公式进行护栏设计时，也需要除以动荷系数，得到设计碰撞力。
7.2钢护栏结构形式
7.2.1钢护栏结构形式选择
为满足陡崖峭壁护栏防撞能力的要求，选用座椅式混凝土基础的三波梁、H型立柱钢护栏，护栏总高度采用95cm。
护栏断面结构见图7-2。
一期护栏设计中，出于防止车辆绊阻的考虑，防阻块采用了350cm宽的H型钢；二期设计中采用了宽度4cm的∏型简易托架，并对这种形式的护栏结构进行了动态数值模拟分析。
图7-2钢护栏结构断面图
7.2.2钢护栏结构的动态数值模拟
按照碰撞实验条件的要求，本项目用PAM-CRASH动态有限元程序对大客车和小客车碰撞钢护栏的状况进行了模拟分析，主要从车辆运行轨迹方面来考察护栏的防护性能。
1）大客车（14t、60km/h、20°）
从模拟的结果来看，护栏能够有效地拦阻车辆，车辆能够顺利驶出，护栏设计可以满足评价标准的要求。
车辆的运行轨迹见图7-3。
图7-3车辆的运行轨迹
数值模拟中护栏的最大变形为588mm，前后轮都有绊阻，使立柱局部变形，车轮从立柱上轧过，图7-4是车辆与立柱的位置关系图。
图7-4车辆与立柱的位置关系图
2）小客车（1.5t、80km/h、20°）
模拟结果表明：
护栏能够将车辆导出，但车轮已经碰上立柱，产生绊阻，立柱产生了较大的屈曲变形，如图7-5所示。
图7-5 小轿车车轮与立柱碰撞形态
7.3钢护栏的强度设计
7.3.1假设
1）护栏变形后的形状为一圆弧形。
见图7-6。
图7-6 钢护栏变形示意图
2）最大位移与最近立柱之间横梁与纵向夹角为θ0=2θ。
3）作用范围内立柱和相邻的两立柱共同承担护栏的横向力，其中相邻的两立柱承受作用力不大于弹性极限力。
4）护栏设计碰撞力为：
Fdes=Fmax/1.4。
7.3.2护栏结构强度设计结果
考虑到陡崖峭壁路段十分危险，路侧允许车辆驶入的空间较小，我们取护栏的最大允许横向位移为0.7m，并根据控制护栏强度设计的碰撞实验组合：
大客车、14t、60km/h、20°进行结构强度设计。
护栏结构强度设计的结果是：
三波梁板厚度采用4mm，立柱采用150*100的H型柱，间距2m，拼接螺栓采用12个Φ16的高强螺栓，连接螺栓采用至少2个Φ16的普通螺栓。
考虑到路肩宽度有限，虽会有绊组发生，仍采用∏型简易托架。
7.4实车碰撞实验
7.4.1总体概况
钢护栏也经历了两阶段碰撞实验，二期护栏共进行了三次实验，实验总体情况见表7-1。
表7-1钢护栏碰撞实验实测参数
实验编号
碰撞车型
质量
（kg）
碰撞速度
（km/h）
碰撞角度
（°）
碰撞能量
（kJ）
1
大客车
14,000
65
19.4
251.78
2
大客车
14,000
62
19.8
230.61
3
小客车
1,500
83
20.4
48.44
7.4.2实验结果分析
1）护栏变形情况
护栏变形仍是圆滑曲线，见图7-7。
第1~3次实验中，护栏的最大横向位移分别为755mm、750mm和35mm。
护栏的最大横向位移量能够满足防止车辆越出路肩的要求。
图7-7护栏的变形情况
由照片7
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