公路桥梁防撞护栏的安全性能提升与标准化设计研究

0 引言：

本研究立足于交通安全工程前沿，通过多学科交叉方法探索护栏性能提升路径。实践层面，研究提出的标准化框架可显著降低全寿命周期成本，研究成果可填补国内在精细化护栏设计领域的空白，对实现《交通强国建设纲要》提出的本质安全目标具有战略意义。

1 公路桥梁防撞护栏现状分析

当前我国公路桥梁防撞护栏普遍采用混凝土护栏和波形梁护栏两类主流形式，其设计主要依据《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81-2017）中规定的防护等级要求。

1.1 存在的突出问题

（1）极端碰撞工况下的性能缺陷：通过对近五年国内37 起重大桥梁交通事故的案例分析发现，现有护栏在极端碰撞工况下暴露出吸能效率不足、导向性能欠佳等突出问题。

（2）材料性能退化影响：实地调研显示，东部沿海地区护栏腐蚀速率达0.12mm 年，导致钢结构连接节点在服役8-10 年后其抗冲击强度下降约 18% ，而现行规范尚未建立材料性能退化与防护等级间的量化关系。

（3）动态响应设计薄弱：在碰撞力学性能方面，多数在役护栏的加速度指标虽满足基础要求，但当碰撞角度超过 15^∘ 时，乘员伤害风险系数骤增 2.3 倍，暴露出动态响应设计的薄弱环节。

1.2 面临的新挑战

随着重载交通比例提升和自动驾驶车辆的出现，现有护栏在应对 12 吨以上货车碰撞及网联汽车定位需求方面已显现出明显的不适应性，需要建立起兼顾防护效能与智能交互功能的下一代护栏技术体系。

2 防撞护栏安全性能提升路径探析

2.1 基于碰撞力学的结构优化设计

防撞护栏的主要功能在于有效吸收碰撞能量，而传统设计往往依赖静态荷载分析，难以准确模拟真实碰撞过程中的非线性动态响应。通过显式动力学仿真对护栏-车辆耦合系统进行模拟，可发现碰撞初期 10ms 内冲击力峰值集中分布于立柱与横梁连接节点，这为结构优化设计提供了重要依据。

优化设计应聚焦于改善力流传递路径，如采用渐变刚度波纹板结构，使碰撞力沿护栏纵向梯度衰减，避免应力集中导致的局部失效。针对不同车型的碰撞特性，分级缓冲结构表现出显著优势，在小型车碰撞区域设置低刚度吸能盒，而在重型车冲击区采用多腔钢管加强，使整体防护等级从SB 级提升至SA 级，且材料用量仅增加了不到一成。

2.2 材料组合结构应用

高强铝合金与 Q345 钢的混合结构在-40℃低温冲击试验中表现出优异的断裂韧性，蜂窝铝填充式立柱通过胞元结构塑性变形耗散能量，在 80km/h 碰撞速度下可将加速度指标控制在 1.2 以下，远低于规范限值 1.4。纤维增强聚合物包覆层则有效解决了沿海地区盐雾腐蚀问题，在极端荷载条件下，形状记忆合金与阻尼器的组合应用可实现碰撞后结构自复位。

材料组合要兼顾工艺可行性与经济性，而热成型复合材料构件的成本应控制在传统方案的1.5 倍以内，才能具备大规模推广价值。

2.3 信息化检测与智能防护

传统人工巡检难以捕捉护栏隐蔽损伤，而基于物联网的实时监测系统能自动识别性能退化的相关趋势。（1）在动态响应监测方面，分布式加速度传感器网络可重构碰撞事件全过程，某山区桥梁应用案例显示，该系统成功识别出超载货车碰撞导致的立柱基础松动，较人工检查提前 14 天发出预警。（2）智能防护系统进一步拓展了主动安全边界，如压电触发式液压缓冲器能在碰撞发生50ms 内启动，而车载单元与护栏通信设备的交互可提前调整自动驾驶车辆轨迹，避免侧面刮擦事故。（3）数字孪生技术的引入实现了全生命周期管理，BIM 模型集成材料检测数据、环境腐蚀速率和碰撞历史记录后，可自动生成维护策略。

未来的发展方向应突破多源数据融合瓶颈，建立涵盖力学性能、环境耐久性和交通流特征的综合评价体系，最终形成一体化的智能护栏生态系统。

3 标准化设计体系构建策略

3.1 编制统一的防撞性能等级划分标准

当前国内公路桥梁防撞护栏的设计规范仍存在防护等级划分粗放、评价指标单一的问题，难以适应复杂多变的交通环境。我国JTG D81-2017 标准仅以设计速度（ km/h ）和交通量（ADT）作为分级依据，导致部分高风险路段防护不足。

一方面，应建立基于碰撞能量-车辆质量-速度耦合的分级模型，通过LS-DYNA 仿真分析确定不同交通流条件下的临界防护阈值，如在重载货车占比超过 25% 的山区高速路段，护栏设计要额外考虑 40 吨车辆以 60km/h 斜向 15^∘ 碰撞的极端工况，以应对特殊交通场景的防护需求；另一方面，引入多维度评价指标，除传统力学参数外，增加对乘员伤害风险和车辆运行轨迹的量化要求，使评价更加全面、科学。

3.2 推动施工模板落地

应建立模块化设计模板，规定标准节段长度为 3m ，连接螺栓孔位公差控制在 ±0.5mm 以内，不同批次构件可互换使用，提高施工的通用性和效率。

（1）在制造环节，推广数字化成型技术，如波形梁板采用机器人折弯工艺，使波纹高度误差从传统手工加工的 |±3mm 降低至 :±0.8mm ，大幅提升构件精度；同时，通过激光三维扫描进行在线检测，杜绝尺寸超差构件流入工地，保证施工模板的质量。（2）安装标准化要制定“定位-调平-紧固”三步作业法：采用全站仪辅助立柱垂直度校准，使安装偏差≤1/500；并强制要求扭矩扳手终拧高强螺栓，预紧力波动范围控制在 15% 以内，确保安装的稳固性和一致性。（3）应配套开发施工质量追溯系统，通过二维码记录每段护栏的材料批次、焊接参数和安装责任人等信息，为全寿命周期管理奠定基础。

3.3 构建全寿命周期评价体系

传统护栏管理往往“重建设轻维护”，而全寿命周期评价可系统性优化资源配置。（1）在初期设计阶段，应建立“材料-结构-环境”退化模型，如基于第二定律预测混凝土护栏碳化深度，或采用 Arrhenius 方程加速模拟涂层老化进程，从而量化不同设计方案在 30 年服役期内的性能衰减曲线，为设计方案的选择提供依据；经济性评价要综合计算初始成本、维护成本和事故损失成本，从经济角度对全寿命周期进行评估。（2）在运营阶段，推行基于风险的检测策略，利用声发射传感器监测裂纹扩展速率，当信号强度超过阈值时自动触发维护预警，及时进行维护处理，保障护栏性能。（3）报废回收环节要纳入生态指标，关注护栏报废后的回收利用情况及对环境的影响，体现可持续发展理念。

最终形成的评价体系应包含技术性能、经济成本和可持续性三维度指标，通过区块链技术实现数据不可篡改，保证评价数据的真实性和可靠性，为行业主管部门提供科学依据。

4 结语：

近年来，多起重大桥梁交通事故暴露出防护能力不足、耐久性退化等深层次问题，促使行业重新审视既有技术路线的适应性。在交通强国战略背景下，本研究尝试突破材料、结构和管理的传统边界，探索符合我国交通特征的安全防护新范式。值得思考的是，标准化进程如何平衡技术先进性与工程实用性？智能护栏的大规模推广又该如何破解成本与效益的矛盾难题？这些问题的答案，或许正是未来二十年交通安全设施的发展蓝图。

参考文献：

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