公路安全防护技术研究动态与趋势

(长沙理工大学 汽车与机械工程学院， 湖南 长沙 410114)

1 概述

道路安全设施是道路交通安全的重要组成部分，其包括交通管理设施和防护设施。前者包含交通标志和标线，后者包含护栏、避险车道等。交通安全设施在减少交通事故、减少纵向或横向干扰、提供景观引导、提高道路景观等方面起着重要作用[1]。交通事故安全防护技术的研究，旨在为道路安全设施的开发、设计及检测提供可行的方法和技术手段。性能良好的道路安全设施在保障行车安全、减少交通事故发生中起着巨大作用，尤其是在减轻失控车辆交通事故严重程度方面有着不可替代的作用。然而，随着高速公路网络技术和车辆设计制造技术的不断变革进步，在公路交通越来越便利的同时，人们对速度、效率的追求更加重视，车辆朝着速度越来越快、体型越来越大的方向提升[2]。在全世界范围内，各个国家的新车评价程序(NCAP)要求的车辆安全碰撞速度最高不超过64 km/h，以我国为例，中国新车评价程序(C-NCAP)的碰撞项目分别有50 km/h的100%正面碰撞、50 km/h的侧面碰撞以及64 km/h的40%偏置碰撞。该安全碰撞速度主要针对最高限速为60 km/h的城市道路而设定，而对于最低限速为60 km/h，最高限速达120 km/h的高速公路，汽车碰撞安全性已经无法由自身提供保障。因此有必要大力开展道路安全保障技术的研究，开发设计出相应的交通安全设施来弥补汽车自身碰撞安全条件的不足，保证汽车高速行驶过程中的碰撞安全，降低乘员的受伤风险。

为保证公路安全防护设施的有效性，开发设计的安全设施必须达到两点要求；首先，这些路边的安全装置的设计者和测试者必须确定它们的现实设计和测试条件；其次，国家交通部门必须确定这些设施的防撞严重程度，以此来确定适当的许可证，实现有限资源的效益-成本比率最大化。目前，研究人员在理论分析和模拟实验的基础上，对公路安全防护设施进行了深入和大规模的研究。凭借大量系统的碰撞理论分析、多种碰撞工况的仿真模拟分析、实车足尺碰撞验证实验和公路上的应用实践，积累了大量的资料和丰富的经验。同时，针对不同的道路情况，研究出了各种相应的防护设施技术、产品以及相应的法规、标准来保证道路行驶的安全性；包括标准的发展、道路基础设施建设指南的完善、速度设计、交通稳静化措施、安全审计、回旋和周期车道以及分支匝道应用等[3]；但随着研究的深入以及对道路安全意识的提高，不同国家不同地区道路网络，基础设施建设，甚至行为习惯的不同，安全设施的设计开发也有很大的差异；考虑到人类自身的脆弱性和局限性，在碰撞中往往是致命的，因此建立完善交通安全防护设施来容忍人们的驾驶失误至关重要[4]。

通过从交通安全防护设施护技术的角度出发，对护栏设计技术、桩基检测技术、控速减速车道等几个方面技术的研究现状进行归纳；目前高速公路防护安全设施存在的问题总结如下：具备多次防撞能力的护栏设计和使用方案不够成熟、护栏防撞端头不具备小型化与轻量化、道路车辆被动控速方面研究不足、立柱桩基约束条件检测等虚拟仪器有待开发、护栏评价标准、法规不完善等；最后对公路安全防护设施现有的技术问题进行了相应的探索，并对未来设施技术的发展进行了展望总结。未来公路安全意识的提高，将推动着安全设施技术上的不断创新，法规规范的进一步完善，而各种规范的完善又进一步指导着研究朝着技术变革的发向发展，为交通事故车辆乘员的安全提供保障。

2 研究现状

交通事故安全保障技术的研究，旨在为道路安全设施的开发、设计及检测提供可行的方法和技术手段。性能良好的道路安全设施在保障行车安全、减少交通事故发生中起着巨大作用，尤其在减轻交通事故严重程度方面很多时候是不可替代[5-6]。

a.现在应用较多的波形梁护栏不具备多次防撞能力，导致在事故路段发生二次事故的车辆及乘员的损伤程度会大大增加，因此针对具有二次防撞能力的柔性护栏和多次防撞能力的混凝土护栏的研究尤为重要。

很多学者在混凝土护栏的优化改进设计方面进行了大量研究工作，主要研究方向集中在对混凝土护栏的主要结构尺寸参数进行优化设计，以及对标准F型混凝土刚性护栏截面形式进行经验改造，在一定程度上改善了混凝土护栏防撞性能，提高其防撞等级[7-10]。虽然我国开展柔性护栏研究工作的时间并不长，但已有学者在新型柔性护栏的开发、耐撞性拓扑优化方法在立柱结构设计中的应用、柔性护栏立柱及钢索布局形式等方面进行了大量的研究工作，并取得了显著的研究成果[11-14]。半刚性护栏是我国应用比较广泛的道路安全设施，针对其梁板结构的研究，长沙理工大学大型结构碰撞实验室，利用耐撞性拓扑优化方法，得到了“倒U”形中央分隔带护栏梁板拓扑构型；还通过PVC材料与耐撞性拓扑优化相结合的方法，开发设计了一套新型“以塑代钢”的PVC护栏[15-17]。

b.由于缺少相关评价标准及设计规范的指导，我国现有针对可移动护栏的研究并没有很好的体现出可移动护栏灵活、安装简便的优势。

可移动式活动护栏是潮汐车道的重要组成部分，同时也是重要的道路临时隔离设施，是一种对使用灵活性要求较高的道路安全设施。在已有的研究中，大家针对可移动式活动护栏的结构等进行了设计开发，主要成果有：组合型波形板活动式钢护栏[18]，采用钢管和预应力钢索组合的钢管预应力索防撞活动护栏[19]，由钢管与中间连接结构组成的非预应力防撞活动护栏[20]。

c.现有针对护栏防撞端头及防撞垫的研究大多只考虑到产品的防撞性能，但产品质量和体积过大，不具备轻量化和小型化，导致使用现场没有足够的安装空间。

针对护栏端头和防撞垫的开发设计，有学者利用有限元仿真和碰撞试验相结合的技术手段，设计了一种新型波形梁护栏端头和一种新型可导向防撞垫结构[21-22]。另有学者则根据国内新出台的评价标准，利用耐撞性拓扑优化方法，对新型柔性护栏端头设计区域进行5种不同工况下的拓扑优化分析，研发出了一种能够满足我国新法规的新型柔性护栏端头[23]。

d.现有针对避险车道的研究及设计思路大多局限在车辆失控后如何避险，而针对可以避免事故发生的安全控速车道的研究则较少，且现有的避险车道存在对车辆损伤大、重复使用率低等诸多不足之处。

避险车道是设置在连续长大下坡路段等事故多发地的道路安全设施，有学者对修筑避险车道的基本条件、避险车道的整体设计、车辆的减速过程、不同制动方式对减速带类型、几何参数和间距的影响等方面进行了大量研究工作，取得了一定的研究成果[24-26]。

e.车辆撞击护栏立柱的过程是一个瞬时动态过程，由于分别在静态和动态载荷的作用下，护栏立柱与桩基土之间的力学特性是不一样的，所以现有的水平静载试验方法不能用于检测立柱的桩基约束条件。

有学者在护栏立柱埋深检测方面进行了大量研究工作，在针对公路护栏立柱埋深检测中，各学者分别基于导波技术和弹性波法对其进行了研究，分析了各种相关因素对立柱埋深检测结果的影响，得到80～130 kHz的纵向模态L( 0，2)可以满足检测要求[27-29]。在针对护栏立柱水平载荷的研究中，有学者分析了静载荷和动态冲击载荷对立柱桩基约束条件的影响，确定了对立柱桩基约束条件建立有限元分析模型进行分析的相关参数[30-32]。另有学者则基于承载量定义提出利用子结构法来对护栏立柱与桩基之间约束条件进行等效模拟，然后通过弹性摆锤撞击埋入地基的立柱对其约束条件进行检测[33]。

综而言之，现有不少学者针对交通事故安全保障技术进行了大量研究工作，也取得了重要的研究成果。但尚存在以下几个方面的问题亟待解决：

① 现有柔性护栏和混凝土护栏虽具有多次防撞能力，但都还存在不足之处，首先，柔性护栏在端头防撞等设计还存在缺陷，且由于我国针对柔性护栏的研究起步较晚，相关法规标准的制定并不完善，导致柔性护栏的研究设计以及应用上都存在盲区；其次，现有混凝土护栏在限制车辆爬升高度方面表现不佳，容易出现翻车事故，主要原因是迎撞面截面形状不合理。

② 可移动护栏主要应用于临时性的道路施工，潮汐车道等场所，需要频繁的移动可拆装，因此必须具备很强的灵活性，而且结构要求简单，方便拆装。由于我国没有完善的针对可移动护栏的法规及设计标准，因此在可移动护栏的研发设计上存在较大缺陷。

③ 护栏端头防撞和独立桩防撞的问题一直以来都没有得到很好的解决，由于安装环境的限制，很多护栏端部及独力桩周围并没有预留太大空间来进行大型高防护等级防撞端头的安装，而现有的小型低防护等级的防撞端头防护能力有限，使用效果不佳。因此如何设计出具备轻量化和小型化的高防护等级的护栏防撞端头及防撞垫的问题急需解决。

④ 现有避险车道存在对设置地域要求较高、对车辆损伤大、重复使用率低等诸多问题，在车辆以较大速度驶入网索式避险车道撞击网索时，车辆的乘员舱会发生严重的挤压变形，对车辆和乘员都有较大冲击，同时网索式避险车道在短时间内只能容纳一辆车进行避险，避险效率不高。现有的公路制动式避险车道则需要有足够长的制动距离，但在需要设置避险车道的位置很难寻找的满足要求的地域来设置足够长的避险车道。

⑤ 在仿真模拟设计的过程中，针对护栏立柱桩基一般都是采用理想的约束条件，进行实车碰撞试验时也是根据实验室即有条件对立柱进行桩基约束，两者都无法实现和护栏立柱安装使用现场一致的桩基约束条件。因此，在护栏推广使用前需要对立柱桩基约束条件进行现场检测。但由于在静态和动态载荷的作用下，桩基土对力的消散程度具有很大差别，从而导致这两个过程中桩基土的力学性能也会不一样，因此水平静载试验方法并不能应用于立柱桩基约束条件的检测。现在亟需研究开发出一种动态载荷下的立柱桩基约束条件检测技术，以填补这方面的空白。

3 重点研究方向

针对交通安全保障技术研究中的五点不足，有学者根据实际道路环境，成功将代理模型理论技术、变态模型理论技术、耐撞性拓扑优化理论方法等与有限元仿真技术相结合，对这些问题进行了初步的探索。但仍然需要从以下几个重点方向进行研究，以完善交通保障技术，提高道路防护安全设施的可靠性。

3.1 完善相关法规和标准

柔性护栏方面，我国的《公路交通安全设施设计细则》仅介绍了一种缆索护栏的具体结构及安装要求等，但实际根据道路环境的不同对柔性护栏的设置要求也会不同，因此我们有必要根据我国道路的实际情况，有针对性的设计出多种柔性护栏以备选择。以美国国家公路合作研究组织(NCHRP)第771号文件为例，这是专门针对如何选择、使用以及维护柔性护栏的一个指导标准，其中就提供了Weak-steel Post Cable Guardrail、Brifen Wire Rope Safety Fence、Gibraltar Cable Barrier System、Nucor Steel Marion Cable Barrier System、Safence Cable Barrier System、Trinity CASS Cable Barrier System以及其他的一些柔性护栏结构。其中包含了低预应力柔性护栏、高预应力柔性护栏、三索柔性护栏、四索柔性护栏等各种型式的护栏，并对它们的防撞能力，结构尺寸，安装条件等进行了详细说明，只需要根据道路的实际情况选择相应的柔性护栏进行安装使用即可，这样就能做到因地制宜，大大提高柔性护栏的使用安全性能及经济性能。因此我国有必要尽快编制相应的柔性护栏选择、使用及维护标准，以便加速柔性护栏在我国的推广使用。

可移动护栏方面，我国交通部颁布实施的2013法规第5.3.3条细则对我国护栏的试验条件进行了规定，但其中并未提及可移动护栏所需遵循的碰撞等级；在美国MESH法规中，对于护栏试验共制定了6个碰撞等级，并对可移动护栏进行了详细规定。在没有特殊要求的情况下，其防撞等级一般不超过3级，即TL-1、TL-2、TL-3，如表1所示。三种防撞等级均采用小型乘用车和小型载货车(简称皮卡)做为碰撞车型来进行试验研究；质量分别为1 100和2 270 kg；碰撞速度随着碰撞等级的增加而增加，分别为50、70、100 km/h；碰撞角度均为25°。

表1 可移动护栏试验条件Table 1 Mobile Barriers test conditions防护等级碰撞车型车辆总质量/kg碰撞速度/(km·h-1)碰撞角度/(°)TL-1小型乘用车1 1005025皮卡车2 2705025TL-2小型乘用车1 1007025皮卡车2 2707025TL-3小型乘用车1 10010025皮卡车2 27010025

虽然美国针对可移动护栏标准的研究工作开展较早，制定的标准也相对比较完善，但根据我国道路车辆的组成和交通情况和美国存在一定差异，不能完全照搬美国的法规标准，因此需要从我国道路交通实际情况出发，研究制订出符合我国道路交通安全条件的可移动护栏评价标准及设计法规。

3.2 基于动态形貌优化方法的混凝土护栏迎撞截面优化技术

对混凝土护栏迎撞截面进行形貌优化，是解决现有混凝土护栏车辆爬升高度过高问题的有效方法，而传统的解决形貌设计问题的方法是基于灵敏度分析，它只能简单解决线性静态问题。然而，由于非线性材料、几何、网格、瞬态特性载荷和边界条件中的复杂交互作用，使得动态分析中的敏感性推导非常困难。而动态形貌优化方法则可很好地解决这个问题，动态形貌优化设计方法是通过在优化目标附近能识别的半径内，用户定义一个以优化目标元素的质心为圆心而形成的虚拟区域。形貌优化设计的目标是获取一个有均匀压力的表面，所得结果是附近元素的平均值。其优化目标函数如下：

(1)

式中:xi为设计变量，U为与设计变量Xi相关联节点所在的设计区域，Utarget为设计领域的目标值。

在动态形貌优化中，迭代是通过减少元素删除率的方式趋向于稳定的。因此，第t次迭代中第i个变量的场变量，是通过对其前三次迭代的场变量求加权和得到，具体表达式如下：

(2)

式中:xi是第t次迭代中的设计变量。

一个变量的场变量的更新也与其相邻n个单元的场变量值相关，其关系表达式如下：

(3)

优化过程的终止条件有两个：

① 迭代的数量已经超过了最大数量的迭代；

② 拓扑结构的变化小于公差值，计算式如下：

(4)

图1为长沙理工大学大型结构碰撞实验室，利用动态形貌优化方法得到的具备限制车辆爬升高度的多档坎混凝土护栏结构。

图1 利用形貌优化得到的混凝土护栏结构Figure 1 Structure of concrete barrier with shape optimization

3.3 护栏防撞端头及防撞垫的轻量化与小型化设计技术

新材料的应用、耐撞性拓扑优化方法、新材料与耐撞性拓扑优化一体化研究，是实现护栏防撞端头的轻量化和小型化的重点技术手段。图2为长沙理工大学大型结构碰撞实验室利用耐撞性拓扑优化方法设计的护栏端头，该护栏端头整体长度约3.4 m，宽度约0.8 m，总质量约1 072 kg，可以满足质量为1 500 kg的小车速度为100 km/h的正面碰撞安全评价标准，与同防护等级同材料的同类产品比较而言，其长度减少约50%，宽度减少约20%，总质量减少约40%。该护栏端头可以通过增减吸能单元的数量来改变其防撞等级以满足不同场所的需要，安装使用方便。

图2 具备轻量化与小型化的护栏端头Figure 2 End with lightweight and miniaturization

3.4 基于反演识别法的护栏立柱等相关浅埋薄壁短桩桩基约束条件检测技术

由于现在没有一种能够对护栏立柱等相关浅埋薄壁短桩的桩基约束条件进行检测的技术，导致大多护栏产品的实际安全性能大打折扣。因此，亟需开发一种操作简便，结果准确的智能化浅埋薄壁短桩桩基约束条件检测技术。与实验数据相结合的反演识别法则可以通过在动态分析中对立柱与桩基结合面进行参数识别，从而对该立柱桩基约束条件进行检测。其操作简单，检测结果精确，无疑是实现桩基约束条件检测技术智能化的优选途径。

首先，需要通过必要的硬件设备如：PC机、数据采集卡、力锤、加速度传感器、电荷放大器等，对浅埋薄壁短桩进行锤击试验，来获取提供边界条件和初始工况以及演化过程的实验数据。并利用子结构法建立有限元仿真试验模型如图3，水平模量Kh用来定义模拟土壤阻力弹簧的特性，它受密度、湿度、粘性、深度、施加荷载、立柱变形以及立柱结构和几何条件的影响。对于道路地基经常使用粒状的非粘性的土壤Kh定义为:

图3 护栏立柱与桩基有限元模型Figure 3 The finite element model of post and foundation

(5)

式中:σe为有效过载应力，受土壤的密度和湿度影响；y为立柱的变形；Nq为承载量因子，受立柱变形量、土壤的深度、立柱宽度及上壤的内摩擦角度影响。

然后，对有限元数值模拟结果与实验测试数据进行识别分析，考虑两者间的内在联系，建立基于实验结果的目标函数，将问题转化为特定的优化问题进行求解。该目标函数的一般泛函形式可表述为以下形式：

YP=S P1,P2,…,Pk,X (6)

式中:Y为系统输出向量；S为包含所有系统的参数向量；P1，P2，…，Pk和输入向量X的系统函数。

例如：在上述护栏立柱桩基约束条件检测应用中，系统的输出向量Y为通过锤击实验观测得到的立柱的固有频率。在系统模型参量P1，P2， …，Pk(本构模型参数)已知的情况下，可以反演确定系统输入向量X(桩基约束条件)。

3.5 吸能式安全车道控速技术

由于地势条件的限制在我国西部道路的建设中，不可避免的会出现较多的连续长大下坡路段，在这样的路段行驶，车辆需要长期制动，很容易发生车辆制动失效的情况，从而导致严重的交通事故。因此，连续长大下坡路段的控速技术是解决类似路段事故多发的关键技术。同时，隧道入口等事故多发路段都有限速要求，为防止因突发状况而导致的车辆在这些危险路段无法达到限定速度以下，也有必要适当的设置减速装置。

长沙理工大学大型结构碰撞实验室针对连续长大下坡路段等危险路段的控速技术进行了研究，提出了一种新型吸能式安全控速车道，该车道不仅能应用于连续长大下坡路段对车辆进行控速，还可以应用于隧道入口对车辆进行减速，以及应用于路肩等地为车辆提供减速避险场所。图4为路肩避险车道橡胶垫，图5为主干道稳速下坡车道橡胶垫，图6为隧道入口前方减速橡胶垫。该安全控速车道可以在危险路段自动限制车辆速度，从源头防止事故的发生。

图4 路肩避险车道橡胶垫图Figure 4 Rubber mat for shoulder hedge lanes

图5 下坡路段主干道稳速橡胶垫图Figure 5 Steady speed rubber mat for downhill’s main road

图6 隧道入口前方减速橡胶垫Figure 6 Slow down speed rubber mat in front of the tunnel entrance

4 发展展望

我国关于道路安全设施的研究起步较晚，且交通状况，驾驶行为特性等与国外存在较大差距，随着我国道路交通日益发达，道路行驶车辆不断增长，交通事故安全保障技术的研究就显得尤为迫切。后续的防护安全设施的研究工作应该紧紧围绕新材料的开发与应用、安全效果评价和各种实施手册的制定、桩基检测技术、控速车道等几个发展方向进行：

a.大力发展具有多次防撞能力的柔性护栏与混凝土护栏，完善柔性护栏相关法规，利用形貌优化方法解决混凝土护栏车辆爬升高度过高的问题，这对提高护栏对二次事故的防护能力，保护车辆和乘员安全具有重大意义。

b.完善可移动护栏相关评价标准及设计规范，大力发展可移动式护栏使用灵活性提升技术，增加可移动式护栏的使用灵活性，使其能够适应各种临时道路场所的防护需要，这对我国潮汐车道的发展及道路临时施工现场的安全防护具有突出意义。

c.通过对新材料、耐撞性拓扑优化以及新材料与耐撞性拓扑优化一体化方法的研究，大力发展护栏防撞端头及防撞垫的轻量化与小型化发展技术，彻底消除现有护栏端头等场所存在的安全隐患，这在提升现有道路安全设施安全性能，消除安全隐患方面意义重大。

d.大力发展抗撞结构浅埋薄壁短桩的桩基约束条件检测技术，从根本上解决相关道路安全设施的安全性能在实验室与使用现场不统一的矛盾，这在推动试验研发产品在道路现场的推广使用方面具有重大意义。

e.通过对新型吸能式安全控速车道的研究，大力发展连续长大下坡路段控速技术，从源头防止事故的发生，这对避险车道的研究设计提供了新的思路，对推动新型安全控速车道的发展具有开创性意义。

交通安全保障技术的研究，旨在最大程度保护交通事故中的车辆及乘员安全；通过建立完善交通安全防护设施来容忍人们的驾驶失误，完善公路防护系统本质安全性建设，最终达到交通事故中车辆与乘员的零损伤、零风险目的。