根据《高速公路交通工程及沿线设施设计通用规范》(JTG D80—2006)^[1]的规定，波形梁护栏的最低使用年限为15 a，我国在20世纪90年代~2000年初修建的高速公路波形梁护栏均已达到最低使用年限。近年来，我国公路行驶车辆日趋多样化，车辆结构型式和参数也发生了较大变化；另一方面，大型客车的构成比例增加，且重心普遍提高，提高了对护栏防止车辆翻越和侧翻的能力的要求。波形梁护栏运营养护过程中，由于路面加铺影响，护栏的高度与原设置尺寸相比可能存在偏离，护栏钢构件的锈蚀以及材料力学性能可能发生的衰减等也将影响护栏的安全防护效果。

目前我国在用护栏的安全性能评价大多停留在“设计符合性检查”层面，现行《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81—2017)^[2]提出“对接近设计使用年限的护栏，建议从护栏防护等级适用性和实际防护等级两方面对其进行交通安全评估”，并未规定统一的评价方法与标准。美国的安全防护设施评价手册^[3]中规定进行在用护栏的安全性能评价，但以定性的方法为主，缺乏定量的研究支撑。

鉴于以上背景，本研究依托某高速公路在用路侧波形梁护栏进行护栏适应性评价和提升改造技术研究。结合波形梁护栏的技术现状、路段交通量及交通组成、交通事故的实际情况，借助于仿真模拟技术手段和材料力学性能试验，并参考以往类似护栏的实车碰撞试验数据，开展现场护栏实际防护能力分析、护栏防护等级需求分析、护栏适用性分析评价工作，以确定护栏防护能力需要提升还是继续保持，结合评估结论提出建议处置措施。

路段全长75 km，双向6车道，设计速度为120 km/h，于2003年12月通车运营，路侧波形梁护栏采用《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》(JTJ074—94)^[4]规定的A级(93 kJ)。

原设计护栏结构和现场护栏设置如图 1所示，310 mm×85 mm×3mm双波板，ϕ114×4.5 mm立柱，一般路段立柱间距4m，178 mm×200 mm×3 mm防阻块，所有钢构件均采用热浸镀锌处理。

图 1 护栏设置 Fig. 1 Installed barriers

现场对波形梁护栏运营期间可能会发生变化的结构参数进行检测，包括波形梁板中心高度以及波形梁板、立柱和防阻块的镀锌涂层厚度，并对波形梁板进行取样并实验室送检，检测材料力学性能。

波形梁板中心高度是影响护栏防护性能的重要结构参数。高度不足时，大中型车辆碰撞后可能翻越护栏(图 2)，高度过大时虽然可以提高对大中型车辆的阻挡能力，但会导致小型客车碰撞后下穿护栏(图 3)^[5-8]。

图 2 大客车翻越护栏 Fig. 2 Bus overturning barrier

图 3 小型客车下穿护栏 Fig. 3 Car under-passing barrier

2004版和2017版《公路工程质量检验评定标准》(JTG F80/1)^[9-10]均规定，波形梁护栏横梁中心高度允许偏差为±20 mm，以容许偏差±20 mm为标准判定现场护栏高度与设计图纸的符合性，现场检测的波形梁板中心高度均满足容许偏差±20 mm的要求。

根据《高速公路波形梁钢护栏》(JTT 281—1995)^[11]的规定，波形梁板和立柱涂层厚度的平均限值为85 μm，最小限值为60 μm；防阻块涂层厚度的平均限值为50 μm，最小限值为39 μm。

调研中发现，部分波形梁板涂层厚度小于85 μm，甚至小于最小限值60 μm。如图 4所示，波形梁板锈蚀程度与涂层厚度有明显的相关性，即波形梁板有铁锈出现的位置涂层厚度较小。检测的立柱和防阻块的镀锌涂层厚度均满足要求。

图 4 波形梁板锈蚀 Fig. 4 W-beam rust

《高速公路波形梁钢护栏》(JTT 281—1995)^[11]规定：波形梁板、立柱、防阻块所用基底金属材质为碳素结构钢，其力学性能应不低于GB700规定的Q235牌号钢的要求。《波形梁钢护栏第1部分：两波形梁钢护栏》(GBT 31439.1—2015)^[12]对Q235牌号钢的力学性能要求进一步明确为：下屈服强度不小于235 MPa，抗拉强度不小于375 MPa，断后伸长率不小于26%。

对出现腐蚀的波形梁板进行材料力学性能试验，检测结果如表 1所示。对波形梁护栏防护能力影响较大的波形梁板的下屈服强度、抗拉强度和断后伸长率能够满足要求，但腐蚀导致的波形梁板有效厚度减小将影响护栏的防护能力。

考虑到护栏适应目前交通流的防护需求以及规范符合性要求，本研究确定护栏防护能力需求时以现行《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81—2017)^[13]和《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81—2017)^[2](以下简称“17版D81”)为依据。另一方面，根据国际通行的护栏防护设计原则^{[3, 14-15]}，我国在确定护栏设计防护能力时遵循“确保85%~90%以上的失控车辆不会越出、冲断或下穿护栏”的原则，因此本研究同时结合交通量、车型构成、运行速度(设计速度)进行车辆失控碰撞护栏能量计算，以进一步校验按照17版D81确定的护栏防护等级能否满足防护比例要求。

路侧计算净区宽度范围内的障碍物包括：水域、无盖板边沟、填方边坡等，事故严重程度涵盖“中”和“低”。根据收费站提供的数据，2018年的年平均日交通量为122 131辆，一型车~五型车的车型构成比例分别为79%，2%，11%，2%，6%。根据客车和货车车型参数调查数据，结合《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B0501—2013)^[16]对试验车辆主要技术参数的要求，一型车~五型车的车辆总质量代表值如表 2所示。由于一型车和二型车的车型构成比例已经达到81%。总质量超过25 t的车辆自然数所占比例不大于20%，不必考虑车型构成因素提高护栏防护等级，路段线形也不满足17版D81规定的需要提高防护等级的条件，因此事故严重程度为“中”和“低”时对应路侧波形梁护栏的防护等级分别为SB级(280 kJ)和A级(160 kJ)。

现场车辆失控碰撞护栏的碰撞能量应按式(1)计算确定：

(1)

式中，E_i为第i辆车的碰撞能量；m_i为第i辆车对应车型的车辆总质量；v_i为第i辆车的运行速度，小客车限速120 km/h，大中型客车限速90 km/h，货车限速80 km/h，偏于安全的，车辆运行速度取为限速值，二型车~四型车同时包括大中型客车和货车，运行速度分别取为90 km/h和80 km/h；α为碰撞角度，取为20°。车辆失控碰撞护栏能量如表 3所示。

当路侧波形梁护栏防护等级为SB级(280 kJ)时，护栏防护比例可达到92%，防护等级为A级(160 kJ)时，防护比例可达到81%。因此，在该路段的交通流条件下，设置SB级(280 kJ)护栏能够满足“确保85%~90%以上的失控车辆不会越出、冲断或下穿护栏”的要求。

综合以上护栏防护能力需求分析结果，对应于路侧事故严重程度为“中”和“低”时，路侧波形梁护栏的防护等级应分别达到SB级(280 kJ)和A级(160 kJ)，有条件时宜达到SB级(280 kJ)或以上。

综合波形梁护栏技术现状调研以及护栏防护能力需求分析可知，该路段在用波形梁护栏不能满足现行设计规范即17版D81的要求。

关于早期建设的护栏是否需要依据现行设计规范进行提升改造，首选的处置方案是将护栏整体改造为17版D81以及目前交通流的安全防护要求。但考虑到经济性因素，也可结合道路运营安全风险综合考虑^[17]。

根据《公路养护技术规范》(JTG H10—2009)^[18]的规定：“对于事故多发路段和一些特殊路段，应结合公路安全保障工程的技术内容，及时改造完善各种交通安全设施”。

建议在事故多发、事故风险较高的路段或者曾发生过护栏防护失效事故的路段，将护栏提升改造为满足17版D81的要求。在事故率以及事故风险较低的路段可采用“不低于竣工图护栏防护能力”的处置方案，确保现场护栏结构与竣工图相符或护栏实际防护能力不低于竣工图护栏。

根据护栏适用性评价结论，建议的处置措施包括原设置护栏防护能力保持和防护能力提升。

虽然波形梁板构件锈蚀后的力学性能参数仍可以满足产品规范要求，但《公路养护技术规范》(JTG H10—2009)^[18]规定：波形梁钢护栏的防腐层无明显脱落，护栏无锈蚀。在用波形梁护栏出现的锈蚀不符合规范规定，腐蚀引起的波形梁板有效厚度减小将导致护栏的防护能力降低，不仅可能引发护栏防护失效的事故，而且管理养护单位也将面临着一定的管理责任风险。

在事故率以及事故风险较低的路段，建议更换锈蚀严重的波形梁板，更换的过程中应确保波形梁板中心高度满足容许偏差要求。

为节约工程造价，缩短施工工期，促进能源节约和环境保护，护栏防护能力提升以“充分利用原波形梁护栏”为原则，采用双层双波护栏改造方案，主要技术要点为：

(1) 保留原有的护栏立柱、护栏板和防阻块。

(2) 新增1根ϕ114×4.5×2 250(mm)长立柱，使护栏的立柱间距由4 m加密为2 m，立柱打入深度为1.1 m。

(3) 新增2个196×178×200×3(mm)防阻块，分别安装于新增长立柱的上部和下部，间距40 cm。其中下防阻块与原有护栏板连接。

(4) 新增1块4 320×85×310×3(mm)护栏板，安装在新立柱的上防阻块上，与下层护栏板的横梁中心间距为40 cm。

如图 5所示，双层双波护栏方案经实车碰撞试验验证，防护能力能够达到《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01—2013)^[16]规定的A级(160 kJ)。

图 5 双层双波护栏实车碰撞试验 Fig. 5 Real vehicle impact test with double W-beam barrier

利用原波形梁护栏进行护栏提升改造时，需要对原护栏钢构件的镀锌涂层厚度以及波形梁板中心高度等结构参数进行检测，不满足要求时应进行更换。防护等级SB级(280 kJ)的护栏提升改造可采用拆除原护栏、设置17版D81规定的SB级波形梁护栏的处置方案。

本研究依托某高速公路进行在用路侧波形梁护栏的适应性评价和提升改造技术研究。

现场对波形梁护栏运营期间可能会发生变化的结构参数进行检测，波形梁板中心高度以及立柱和防阻块的镀锌涂层厚度均满足要求，波形梁板出现明显锈蚀，但材料的下屈服强度、抗拉强度和断后伸长率仍然能够满足要求，腐蚀导致的波形梁板有效厚度减小将影响护栏的防护能力。

综合现行设计规范的规定以及护栏防护比例的分析结果，对应于路侧事故严重程度为“中”和“低”时，路侧波形梁护栏的防护等级应分别达到SB级(280 kJ)和A级(160 kJ)，有条件时宜达到SB级(280 kJ)或以上。

根据护栏适用性评价结论，综合考虑经济性和运营安全风险，建议的处置措施包括原设置护栏防护能力保持和防护能力提升。工程实施过程中将对护栏改造处置后的安全效果进行跟踪观测。

在事故率以及事故风险较低的路段，建议更换锈蚀严重的波形梁板，更换的过程中应确保波形梁板中心高度满足容许偏差要求。

在事故风险较高的路段或者曾发生过护栏防护失效事故的路段，建议将护栏提升改造为满足17版D81的要求，并给出经实车碰撞试验验证、防护等级达到A级(160 kJ)的双层双波护栏改造方案。防护等级SB级(280 kJ)的护栏提升改造建议采用拆除原护栏、设置17版D81规定的SB级波形梁护栏的处置方案。