2016, Vol. 33扩展功能
文章信息
- 韩海峰, 杨轸, 郑挺
- HAN Hai-feng, YANG Zhen, ZHENG Ting
- 高速公路路侧护栏碰撞能量需求研究
- Study on Collision Energy Requirement for Expressway Roadside Guardrail
- 公路交通科技, 2016, 33(12): 118-124
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2016, 33(12): 118-124
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2016.12.019
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文章历史
- 收稿日期: 2015-12-30
2. 同济大学 道路与交通工程教育部重点实验室, 上海 201804;
3. 上海现代建筑设计(集团)有限公司, 上海 200041
2. Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China;
3. Shanghai Xian Dai Architectural Design(Group) Co., Ltd., Shanghai 200041, China
我国是道路交通事故最严重的国家之一[1]，万车死亡率和事故致死率一直高居不下[2]。随着我国城镇化和机动化进程的加快，我国的道路交通安全形势不容乐观[3]。E. Kopits在分析各国历年的GDP和交通事故死亡率的关系时建立了回归模型，根据相关数据预测得出，我国最早要到2020年才能实现交通安全状况的根本好转[4]，这一结论也获得了国内相关学者的支持[5]。
交通事故统计分析表明，路侧事故不仅占有相当比例，而且死亡率高。根据美国2002年至2007年的道路交通事故数据，路侧事故占道路交通事故总数的15%，但其死亡数却高达42.9%。其中车辆驶离车道的事故占总事故数的18%，占总致死事故的44%[6-11]。对公安部近几年发布的交通事故白皮书中相关数据进行统计分析，可以发现在1次死亡3人以上的重特大恶性道路交通事故中，由于车辆冲出道路而坠崖或坠桥的路侧事故约占重特大恶性道路交通事故总数的一半[7]。高速公路行车速度快，交通量大，路侧交通安全尤为重要。
路侧护栏既要防止车辆冲出路面或对向车道，又要保障司乘人员在发生碰撞时获得一定的缓冲，同时对车辆碰撞后的行驶轨迹要有较好的引导。《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01-2013)对具体的指标进行了规定[12]。通常有两种方法对公路护栏的防护能力和效果进行分析，即实车碰撞法和有限元碰撞仿真法，这方面的研究已有一些成果。杨济匡利用LS-Dyna软件针对A级和B级护栏进行了客车与护栏碰撞仿真，发现了防护的薄弱点，并提出和验证了改进设计[13]。吕国仁研发了一种新型波形梁护栏端头，并通过实车足尺碰撞试验验证了利用波形梁卷曲可吸收车辆动能，能够有效避免波形梁插入车体和翻车事故的发生，保护乘员安全[14]。
上述研究主要是确定护栏的防护能力，关于碰撞速度、角度的选用都是依据《公路护栏安全性能评价标准》的规定。而事实上，当车辆在实际道路上行驶时，车速会随道路线形和交通环境而改变，因此，如果发生与护栏的碰撞，碰撞速度也是有差异的。同样，对于平曲线段，车辆与护栏碰撞的角度也可能与直线段有所不同,也就是说防护需求(碰撞能量需求)应该随道路线形而变化。目前，这方面的研究还比较缺乏。对于失控车辆的防护，归根结底在于碰撞能量的确定，因此如果能获取85%分位的碰撞能量(同时考虑车速和碰撞角度)，对于确定路侧设施的防护需求将更有意义。考虑到获取路侧事故状态下的车速和碰撞角度比较困难，采用驾驶模拟的方式通过情景仿真获得相应的数据是一种可行的替代方法[15-16]。
1 试验设计 1.1 试验目的与总体要求路侧交通事故的原因主要有3方面：一是疲劳驾驶导致车辆逐渐偏离行车道；二是前方突现车辆坠落物或进行紧急避让；三是弯道车速过快，车辆发生侧滑。其中第2种情况约占70%，并且处于相对更不安全的工况。因此，本文关注定量研究紧急避让条件下高速公路路侧护栏处的车辆碰撞能量。而要计算该值，就需要设计驾驶模拟试验以获取碰撞速度和碰撞角度这两个参数。车辆的碰撞角度和碰撞速度的大小与驾驶员的驾驶行为直接相关，且与碰撞前的道路线形、当前运行车速、路肩宽度等相关，因此需要考虑根据不同的设计速度及匹配的道路线形段来进行紧急避让试验。驾驶模拟试验场景基于三维建模软件UC-win/Road建立。
1.2 试验场景设计 1.2.1 平面线形设计首先对试验道路的平面线形进行设计，起点从设计速度60 km/h的路段开始，依次经过速度80 km/h 和100 km/h，最后连接到设计速度120 km/h的路段。为了研究在不同曲率段的驾驶行为，本试验对每种设计车速分别设置直线段、一般最小半径圆曲线段和极限最小半径圆曲线段3种线形模式，并在每种线形类别上通过设置障碍物的方式来模拟紧急避让场景。每类设计车速下的一般最小半径和极限最小半径取值参照《公路路线设计规范》(JTG/D20-2006)[17]，在直线段和圆曲线间插入缓和曲线，并对两种半径的圆曲线间插入直线段使之平顺连接。结合《公路路线设计规范》中对于道路平面线形的要求，对道路平面线形进行相应的调整，最后得到本试验道路平面线形设计要素(表 1)。设计后全线全长20.787km。
| 设计速度/(km·h-1) | 直线段长度/m | 平曲线长度/m | 直线段长度/m | 平曲线长度/m |
| 60 | 1 330 | 249+300+249 | 774 | 142+200+142 |
| 80 | 1 289 | 571+500+571 | 834 | 302+300+302 |
| 100 | 1 355 | 777+700+777 | 1 000 | 528+500+528 |
| 120 | 1 495 | 938+800+938 | 820 | 318+400+318 |
| 注：平曲线长度=缓和曲线长度+圆曲线长度+缓和曲线长度。 | ||||
道路平面线形按表 1设计速度60，80，100，120 km/h分段进行设计，每段按该表从左往右的顺序以直线、平曲线(缓和曲线+圆曲线+缓和曲线)、直线、平曲线(缓和曲线+圆曲线+缓和曲线)进行连接。对上述线形按规范分别进行回旋线最小长度、平曲线最小长度、平曲线最大长度等检查。检查后，本试验设计的道路平面线形要素全部满足要求。
根据以上平面线形设计要素，用UC-win/Road 8.0进行平面线形设计，得到如图 1所示的道路平面线形图。
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| 图 1 道路平面线形图 Fig. 1 Road horizontal alignment diagram |
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1.2.2 纵断面设计
道路纵坡对车辆的运行速度具有一定的影响，关于纵坡影响下的运行速度的测算可按照《公路项目安全性评价规范》(JTG B05-2015)[18]进行预测。但是，在紧急避让情况下，驾驶员从急打方向盘到与护栏发生侧碰所发生的时间比较短，仅从这段范围来说，纵坡对车速的影响非常有限，不像平曲线和硬路肩宽度对碰撞角度有较大的影响。因此，本研究在试验阶段忽略纵坡的影响，设定道路纵坡为0。
1.2.3 横断面设计横断面布置采取双向四车道。设计速度80，100，20 km/h，车道宽度取值3.75m;设计时速60 km/h，车道宽度取值3.75 m；硬路肩宽度取值参照《公路路线设计规范》，其中设计速度80，100，120 km/h采用一般值，设计速度60 km/h用于模拟山区高速的场景特点，取规范的最小值。具体硬路肩宽度取值如表 2所示。
| 设计速度/(km·h-1) | 60 | 80 | 100 | 120 |
| 硬路肩宽度/m | 1.5 | 2.5 | 3 | 3 |
1.2.4 超高设计
直线段道路横坡为2%，各设计车速下一般最小半径和极限最小半径的超高值如表 3所示，按照绕中央分隔带边缘线进行超高变化，并在缓和曲线段完成。
| 设计速度/(km·h-1) | 极限最小半径/ m | 超高值/% | 一般最小半径/ m | 超高值/% |
| 60 | 125 | 10 | 200 | 8 |
| 80 | 250 | 10 | 400 | 6 |
| 100 | 400 | 10 | 700 | 6 |
| 120 | 650 | 10 | 1 000 | 7 |
1.3 障碍物布设
为了模拟驾驶员应对不期而遇的障碍物紧急避让的驾驶操纵，障碍物在设计上与路面颜色比较接近，使驾驶员从远处不易发现。通过对障碍物颜色、纹理和大小的调整，经模拟测试，使一般测试者发现障碍物并作出必要反应时距离为40~70 m，定型后的障碍物如图 2所示。
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| 图 2 驾驶模拟试验用障碍物 Fig. 2 Obstacle for driving simulation |
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对于障碍物的布设位置，采取在高速公路每个设计车速段的直线、一般最小半径圆曲线和极限最小半径圆曲线段都设置1个障碍物的方式，合计共12个障碍物。断面位置布设在靠右的车行道上，各障碍物的布设位置(道路起始位置为0 m)如表 4所示。
| 设计速度/(km·h-1) | 障碍物摆放位置(从道路起点计)/m | ||
| 60 | 800 | 1 830 | 3 210 |
| 80 | 4 300 | 5 530 | 7 590 |
| 100 | 8 900 | 10 450 | 13 380 |
| 120 | 14 850 | 16 900 | 19 750 |
1.4 试验过程
选择12名年龄在20~35岁的熟练驾驶员，其中男性10名，女性2名。每名驾驶员在模拟场景下行驶一趟全程，可采集12个碰撞样本。驾驶车辆选用UC-win/Road软件自带的小型车。
图 3为试验进行中的场景。
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| 图 3 驾驶模拟试验场景 Fig. 3 Driving simulation experiment scenario |
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2 构建基于ADAMS/Car的车路耦合模型
将驾驶模拟试验软件UC-win/Road实时获取的方向盘转动、刹车、油门等数据输入动力学仿真软件ADAMS/Car中，即可得到所需的碰撞角度、碰撞速度等数据。为此，需要构建车路耦合模型。
ADAMS/Car提供了小型车整车模型，但其发动机是后置的，考虑一般小车的构造，将其设置为前置。整合前悬架子系统、后悬架子系统、转向子系统、前轮胎子系统、后轮胎子系统、车身子系统、制动子系统，组装后将传动轴修改至前轴上，并修改车辆重心及转动惯量等参数，得到发动机前置的整车模型，如图 4所示。
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| 图 4 整车模型 Fig. 4 Integrated car model |
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道路模型选用软件自带的平坦2D路面文件2d_flat.rdf，并修改路面摩擦系数为0.6，驾驶员控制文件采用开环控制的方式。调入已经建好的小车模型，并调用建好的道路模型和驾驶员控制文件，可构建车路耦合模型，如图 5所示。
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| 图 5 车路耦合模型 Fig. 5 Vehicle-road coupling model |
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3 碰撞能量比较分析
将驾驶模拟的各紧急避让样本数据输入ADAMS/Car运行仿真，可得到该样本的碰撞角度和碰撞速度，汇总结果如表 5所示。
表 5中的运行速度为驾驶员发现障碍物进行减速转向操纵前的速度。根据上述试验结果，建立起碰撞速度和碰撞角度与运行速度、曲线曲率、硬路肩宽度的回归公式：
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(1) |
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(2) |
式中,Vc为碰撞速度；Vo为运行速度；Ws为右侧硬路肩宽度；R为圆曲线半径。按前进方向左转为正，右转为负。
由此可见，车辆因避让障碍物而急打方向盘碰撞到右侧护栏时，碰撞角度总体上随硬路肩宽度增大而增大，随运行速度的增大而减小，随曲线曲率的增大而增大(左转为正)；碰撞速度总体上随运行速度增大而增大，随硬路肩宽度的增加而减少，随曲线曲率的增大而增大(左转为正)。考虑到碰撞能量是碰撞速度和碰撞角度的函数，其与运行速度、硬路肩宽度和曲线曲率的关系比较复杂，但是有一点可以确定，即曲率越大(左转为正)，车辆对右侧护栏的碰撞能量越大。
根据表 5，可以计算车辆的碰撞能量(车辆质量根据《高速公路护栏安全性能评价标准》对于不同等级防撞护栏车体质量的规定值选取)。图 6～图 9为各防撞等级护栏的所有试验样本碰撞能量计算散点图。
| 设计车速60 km·h-1 | 设计车速80 km·h-1 | 设计车速100 km·h-1 | 设计车速120 km·h-1 | ||||||||||||
| 运行车 速/(km· h-1) | 碰撞速 度/(km· h-1) | 侧碰角度/(°) | 运行车 速/(km· h-1) | 碰撞速 度/(km· h-1) | 侧碰角度/(°) | 运行车 速/(km· h-1) | 碰撞速 度/(km· h-1) | 侧碰角度/(°) | 运行车 速/(km· h-1) | 碰撞速 度/(km· h-1) | 侧碰角 度/(°) | ||||
| 障碍物1 | 61. 8 | 30.1 | 12 | 障碍物4 | 73.9 | 64.7 | 14.2 | 障碍物7 | 70.4 | 66.3 | 13.3 | 障碍物10 | 105.8 | 98.6 | 10.8 |
| 56. 8 | 23.3 | 17.2 | 81.1 | 80.8 | 12.2 | 95.9 | 92.7 | 11.6 | 87.8 | 77.9 | 13.6 | ||||
| 54. 8 | 47.7 | 17.1 | 60.2 | 51.4 | 14.6 | 68.6 | 43.6 | 10.9 | 100.8 | 54.1 | 8.4 | ||||
| 67 | 64.5 | 10.8 | 73.9 | 18.3 | 4.8 | 86.5 | 36.6 | 13.1 | 88.9 | 36.6 | 10.8 | ||||
| 50.8 | 41.7 | 16.6 | 71.2 | 54.8 | 4.1 | 94.4 | 90.2 | 8.8 | 116.9 | 115.1 | 6.8 | ||||
| 66.4 | 47.6 | 10.7 | 85.5 | 81.6 | 5.5 | 82.3 | 63.2 | 14.3 | 113.7 | 109.5 | 7.0 | ||||
| 53.6 | 52.9 | 11.9 | 68.9 | 64.3 | 7.8 | 94.5 | 81 | 12.4 | 98.5 | 79.6 | 10.4 | ||||
| 41.3 | 35 | 18.5 | 77.6 | 50.3 | 8.3 | 89.6 | 83.4 | 13.7 | 102.6 | 85.2 | 13.2 | ||||
| 47.3 | 44 | 18 | 82.1 | 69.2 | 9.2 | 76.3 | 57.1 | 13.5 | 95.2 | 75.9 | 11.2 | ||||
| 53.4 | 36.8 | 16.1 | 72.3 | 60.2 | 8.8 | 95.5 | 68.1 | 12.0 | 106.5 | 91.9 | 8.6 | ||||
| 44.7 | 26.9 | 17.9 | 78.3 | 53.8 | 8.1 | 97 | 80.4 | 11.4 | 104.2 | 87.7 | 11.8 | ||||
| 66.2 | 51.2 | 9.6 | 84.1 | 72.2 | 7.6 | 102.3 | 100.3 | 8.6 | 97.4 | 78.3 | 10.7 | ||||
| 障碍物2 | 52 | 52 | 11.8 | 障碍物5 | 65.6 | 55.3 | 12.8 | 障碍物8 | 108.9 | 97.6 | 10.9 | 障碍物11 | 91.5 | 86.5 | 12 |
| 48.3 | 48.4 | 11.6 | 79.2 | 73 | 10.7 | 101.1 | 95.2 | 11.5 | 97.9 | 96.9 | 14.2 | ||||
| 38.8 | 14.7 | 23.9 | 64 | 9.7 | 7.6 | 69.4 | 63.8 | 8.9 | 65 | 20.4 | 23.3 | ||||
| 53.1 | 9.8 | 8.2 | 53.6 | 17.4 | 20.7 | 76.7 | 32.5 | 13.2 | 106.9 | 102.3 | 11.8 | ||||
| 26.8 | 26.8 | 18 | 69.4 | 24.3 | 14.2 | 65.5 | 53.4 | 10.3 | 75.3 | 56.4 | 21.3 | ||||
| 49. 8 | 40.7 | 18.1 | 64.7 | 35.4 | 16.8 | 80.4 | 49.6 | 15.8 | 94.5 | 70.2 | 15.4 | ||||
| 33.2 | 20.7 | 18.9 | 89.3 | 84 | 5.7 | 69.5 | 50.5 | 12.2 | 90.2 | 59.8 | 15.0 | ||||
| 29.8 | 27.3 | 19.8 | 68.1 | 32.4 | 12.8 | 72.3 | 60.3 | 14.0 | 92.2 | 72.9 | 17.1 | ||||
| 39.4 | 36.6 | 17.2 | 72.4 | 50.2 | 10.9 | 91.8 | 77.4 | 13.3 | 87.9 | 76.4 | 15.5 | ||||
| 42.3 | 35.5 | 16.3 | 64.8 | 37.4 | 14.5 | 67.7 | 55.8 | 9.7 | 93.2 | 69.3 | 14.3 | ||||
| 51.2 | 49.2 | 13.3 | 58.7 | 44 | 13.2 | 71 | 52.2 | 9.8 | 89.2 | 66.3 | 15.2 | ||||
| 49.5 | 33.6 | 13.9 | 64.1 | 50.7 | 14.9 | 73.2 | 51.5 | 14.0 | 93 | 80. 1 | 14.3 | ||||
| 障碍物3 | 52.9 | 49.4 | 18.8 | 障碍物6 | 69 | 63.9 | 18.1 | 障碍物9 | 76.9 | 67.7 | 16.7 | 障碍物12 | 84.2 | 74.7 | 10.9 |
| 49.2 | 49.2 | 16.8 | 58.8 | 59.8 | 13.4 | 83.8 | 85 | 13.2 | 107.4 | 101 | 7.8 | ||||
| 38 | 31.1 | 22 | 45.1 | 13.7 | 23.1 | 63.2 | 62.5 | 14.7 | 72.8 | 65.4 | 13.8 | ||||
| 41 | 37 | 20.7 | 57.7 | 44 | 15.2 | 85.6 | 33.1 | 13.2 | 86.2 | 50.7 | 15 | ||||
| 50.5 | 50.5 | 10 | 62.3 | 41.2 | 13.8 | 84.1 | 84.1 | 12.7 | 106 | 93.2 | 4.7 | ||||
| 47.7 | 41.7 | 20.8 | 54.4 | 29.4 | 15.5 | 65.3 | 54.3 | 14.8 | 87.6 | 63.4 | 11.3 | ||||
| 29.8 | 17 | 24.1 | 49.7 | 27 | 17.3 | 71.2 | 60.1 | 15.2 | 85.3 | 69 | 9.6 | ||||
| 32.9 | 29 | 23.5 | 58.2 | 33.2 | 14.5 | 66.5 | 53.2 | 13.0 | 90.1 | 73.8 | 10.7 | ||||
| 42.1 | 40.1 | 20.3 | 62.1 | 32.3 | 13.9 | 70 | 53 | 14.1 | 76.9 | 57.1 | 13.7 | ||||
| 45.3 | 41.2 | 17.9 | 64.9 | 43.5 | 13.6 | 72.1 | 53.3 | 12.9 | 85.3 | 60.6 | 11.8 | ||||
| 30 | 23.4 | 24 | 56.4 | 34.7 | 15.0 | 69.7 | 53.2 | 15.7 | 96.4 | 74.5 | 9.3 | ||||
| 42.1 | 34.7 | 19.5 | 62 | 47 | 13.9 | 81.2 | 44.5 | 13.5 | 94.2 | 74.9 | 9.8 | ||||
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| 图 6 A级护栏碰撞能量散点图 Fig. 6 Scattergram of collision energy for class A guardrail |
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| 图 7 SB级护栏碰撞能量散点图 Fig. 7 Scattegram of collision energy for class SB guardrail |
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| 图 8 SA级护栏碰撞能量散点图 Fig. 8 Scattergram of collision energy for class SA guardrail |
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| 图 9 SS级护栏碰撞能量散点图 Fig. 9 Scattergram of collision energy for class SS guardrail |
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表 6为85%分位碰撞能量的计算汇总。可以看出，按照全样本的85%分位值看，除了A级防撞护栏设计速度120 km/h样本的85%分位碰撞能量大于标准值约1/3、A级防撞护栏全部有效样本的85%分位碰撞能量基本与规范值相当外，其他所有的85%分位碰撞能量均小于规范值。但是，相对同一防护级别，不同设计车速的85%分位碰撞能量(即防护需求，这里应考虑道路线形特点及运行车速特性的影响)还是有显著的差别。因此，建议在考虑采用防护护栏级别时，应根据不同的设计车速参照表 6的计算值选取。需要指出的是，本研究不涉及大车半实物模型的试验样本，计算碰撞能量时是以试验样本的小车碰撞角度和碰撞速度作为大车碰撞角度和碰撞速度的，在实际应用时可通过进一步试验加以修正。
| 设计速度/(km·h-1) | 全样本/kJ | 规范值/kJ | ||||
| 60 | 80 | 100 | 120 | |||
| A级护栏 | 92.3 | 113.2 | 159.1 | 211.6 | 157.9 | 160 |
| SB级护栏 | 92.3 | 113.2 | 159.1 | 211.6 | 157.9 | 280 |
| SA级护栏 | -* | 158.5 | 222.7 | 296.2 | 245.0 | 400 |
| SS级护栏 | -* | -* | -* | 380.9 | 380.9 | 520 |
| 注：对于“*”标记，《高速公路护栏安全性能评价标准》中对于碰撞速度的定义为：若某车型的平均车速高于设计速度,取最高限速的0.8倍；若平均车速低于最高限速,取平均车速的0.8倍。计算设计速度60，80 ，100，120 km/h的试验样本的平均车速分别为47.7，64.9，76.7，93 km/h，并结合《公路交通安全设施设计细则》[19]中对于路基护栏防撞等级适用条件的规定，确定该设计速度无有效85%分位碰撞能量值。 | ||||||
表 6给出的85%分位碰撞能量值考虑了直线、左转和右转等曲线的综合取值，但尚未考虑纵断面线形及平纵组合的影响。因此，在实际应用时，首先应根据《公路项目安全性评价规范》中推荐的速度预测模型对运行速度进行预测，然后按照式(1)和式(2)计算出碰撞速度和碰撞角度，由此计算出碰撞能量需求，并参照表 6和规范取值进行修正和调整。
4 结论针对不同设计车速及其相匹配的道路线形进行高速公路紧急避让场景的模拟驾驶，分析了碰撞速度、碰撞角度与道路几何线形及运行速度的关系，比较了不同防撞等级和设计车速下的85%分位碰撞能量值与规范给出值的差异。结果表明：
(1) 碰撞角度总体上随硬路肩宽度的增大而增大，随运行速度的增大而减小，随曲线曲率的增大而增大(左转为正)；碰撞速度总体上随运行速度的增大而增大，随硬路肩宽度的增大而减少，随曲线曲率的增大而增大。
(2) 不同设计车速下的防护能力需求有较大的差异，应根据该设计车速下的典型道路线形特征及其运行速度特点选择合理的防撞栏等级。值得一提的是，曲率越大(左转为正)，车辆对右侧护栏的防护能力需求越大。
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