高速公路旧路交通设施再利用技术研究硕士论文

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1、摘要随着我国高速公路改扩建工程进行的如火如荼，高速公路旧路交通设施再利用成为了改扩建工程中重要的研究课题。但由于缺乏相关技术规范、标准、施工指南，导致目前旧路交通设施再利用盲目地进行，因此在道路改扩建中如何合理的利用好旧路设施，对于降低改扩建成本、维持高速公路安全运营具有重要意义。护栏作为高速公路改扩建中重要项目之一，护栏的充分利用将为工程节约大量成本，本文以波形梁护栏再利用为例，详细阐述设施性能评估和再利用技术应用。依据实际工程易操作性和经济性，本文对护栏设施提出两级评估标准，初级评估主要是对护栏使用性能、护栏事故及养护情况和护栏现场检测进行评估；护栏二级性能评估主要是对护栏材料性能指标和力

2、学性能进行评估，初级评估是为力学性能评估基础，两次评估结果决定护栏能否再次利用。本文结合国内现有护栏改造技术，提出高度可调节护栏结构和 V 型内衬护栏补强结构，并利用LS-DYNA显式动力分析程序，建立车辆-护栏碰撞仿真实验模型，进行仿真模拟，证明两种结构护栏满足高速公路护栏安全性能评价标准（JTG/TF83-012004）中A级碰撞等级要求。最后介绍了其他交通设施的组成和相应规范，并结合国内现有研究，提出其他设施再利用原则和技术，为其它设施再利用提供指南。关键词：交通设施；改扩建；护栏；评估标准；安全性能。第一章 绪论1.1 研究背景及意义近年来我国经济一直处于高速增长态势，GDP增长率均在

3、10%左右，这极大地刺激了公路交通需求的快速增长，截至到2011年底，我们国家高速公路总通车里程己将近8.5万公里，仅次于美国8.87万公里，位居世界第二。但早期建成高速公路大部分按照双向四车道的标准设计的，现阶段已经不能满足日益增长的交通需求，而且一些高速公路服务水平己处于三级或三级以下，使高速公路速度快、运量大的优势无法得到发挥。如：京津塘高速公路交通量年平均增长率达25.6%，沈大高速公路交通量年平均增长率达 33.0%。而且作为国家公路主干线的高速公路，其中 10.3% 高速公路通车里程的使用年限己经在 15 年以上，48.2% 高速公路通车里程的使用年限超过 8 年以上，因此随着交通

4、需求的激增和高速公路役龄的增加，越来越多的地区都面临改扩建工程建设的强烈需求，因此十五、十一五期间，我国部分省、市、区已陆续开展了一些对高速公路的扩容改造建设工程，各地区尝试了多种模式扩展高速公路的交通容量和通行能力，如：对原高速公路局部线形指标和交通工程措施进行改善以提升运行速度；在不改变原路基基本宽度的基础上尝试4车道改6车道、或6车道改8车道；对原路基进行加宽扩建以增加行车道；在原高速公路运输通道范围内新建平行高速公路复线道等。可以预见，随着我国经济社会的快速发展，高速公路改扩建工程建设将在我国今后交通基础设施建设领域持续相当长的高潮期。然而，高速公路扩建不同于新建，充分利用好旧路资源对

5、于节约资源和成本作用重大，目前关于旧路路面的再利用问题的研究进行得如火如荼，并取得了丰硕成果和可观的经济效益；而关于旧路交通设施再利用问题的研究却很少。交通设施作为高速公路的重要组成部分，并占有很大比重，也应该进行系统研究。高速公路交通设施再利用可以减少旧设施拆卸、运输、处理等过程产生费用，同时节约了新设施购买、运输、安装产生的费用，具有较好的经济效益。如从南京市城市道路改造中交通设施再利用的效益来看，仅几公里的道路改造中通过交通设施再利用就节约了500多万元建设成本。而高速公路交通设施完善，投资巨大，如果这些设施在改扩建中的到合理再利用，必将节约大量投资成本。如广韶高速公路K123+700K

6、150+998段对护栏设施进行再利用中，76km路段内直接节约材料费用254万元，节约21%的材料费。而目前高速公路旧路交通工程设施的再利用很盲目，一方面，许多旧路的设施（安全设施、服务设施、环保设施、机电设施等）在改扩建时并未达到使用寿命，甚至性能完好，仍有再利用价值，但由于没有相关的技术规范、标准、施工技术，并受政策约束，导致许多交通设施未能充分再利用，而做了抛弃处理，不仅造成巨大浪费，也对环境造成一定破坏。另一方面，也有部分交通设施在改扩建时虽满足使用性能要求，但从全寿命周期角度考虑，可能会增加后期养护、管理成本，若扩建中再利用，将得不偿失。因此在道路改扩建中如何合理的利用好旧路设施，对

7、于降低高速公路改扩建成本、维持高速公路安全运营、促进交通事业的节能减排都具有重要意义。1.2 国内外研究现状(写再利用方面的情况)1.1.1 国外研究现状与发展趋势国外对于高速公路改扩建研究已经成熟，但是关于旧路资源再利用技术同样鲜有研究，然而国外有关高速公路交通设施的研究对于我国研究旧路资源再利用技术具有一定参考价值。（1）安全设施美国从1920年起就开始了对护栏的研究与使用，在理论分析和模拟实验的基础上，通过实车足尺寸碰撞实验和公路上的应用实践，积累了丰富的经验，制定了有关护栏形式的选择、结构设计、实验方法、手段以及护栏的生产制造、运输安装和维修等一系列标准。在欧洲，如法国、英国、德国等国

8、家也在很早就开始了对护栏结构的研究工作，建立了一整套健全的实验设施和相应的实验规程，从理论上和实验上研究了多种类型的护栏结构。日本于50年代开始这方面的研究工作，于1965年制定了护栏设置纲要，对护栏的适用范围、结构设计、功能要求、施工安装等做了明确的规定。高速公路交通标志的历史可谓源远流长，罗马时期就有交通标志的产生；1908年，欧洲各国尝试交通标志统一化；二次大战以后交通标志在欧洲各国越来越受到重视，各国纷纷加大对交通标志的研究。从技术角度分析高速公路交通标志的设置，不同的国家依据国情有不同的规定。1927年美国颁布了交通标志标准，2003年完成最近的一次修订，美国的交通标志形象直观、视认

9、性、易读性以及醒目程度都较好，这些成果被世界各国广泛借鉴参考。（2）机电设施发达国家对高速公路监控系统的研究起歩较早，发展到现在己经比较完善。如在美国著名的汽车城底特律，其交通管理系统充分显示出先进的处理技术。该系统使用了148个摄像机、54幅可变情报板、2149个检测线圈、2070个不同类型的信号控制机以及由9座通信塔和64英里的高速光纤组成的通信系统，整个系统可以实时的监控高速公路的运行状况，提醒监控人员潜在的事故，并能够提供一系列的处理方案，在事故发生时立即展开紧急救援。（3）绿化植被德国最早开始修建高速公路，也较早开始高速公路景观的设计研究。1938年，德国的弗瑞兹.海勒（Fritz

10、Heller）提出了高速公路的外部和谐（External Harmony）与内部和谐（Internal Harmony）理论，并进行了两方面的研究：一是如何解决高速公路与周边景观环境关系；二是在不考虑选址和基地的情况下如何提高高速公路线型景观的视觉质量。德国著名学者W.杜尔博士提出景观设计应与高速公路总体设计有机协调，使周围环境破坏程度降低到最小程度。随后，汉斯.洛伦茨在其出版的公路线形与环境设计中对高速公路线性与环境的协调设计进行了系统阐述。在以后相当长的一段时期，德国的高速公路建设及沿线绿化景观建设，成为许多国家的执行标准。（4）服务设施高速路网发达的国家服务设施主要有服务区和停车区这两种

11、形式。西欧高速公路服务区功能齐全、环境优雅，服务区内部设施布局紧凑，在功能上分为加油站区、停车场区、综合服务建筑三大部分，作为人流、物流、交通流的集散转换结点，可以提供停车、用餐、公交换乘、超市购物、加油、车辆维修、住宿等服务。美国在1991版的设计要领提出了一套用于服务设施总体规模计算的方法。日本道路公团对高速公路服务设施的研究也已经成为我国高速公路科研、设计和建设重要的学习和参考文献。从国外研究现状看，国外高速公路发展历史早，交通需求与高速公路的供给趋于平衡，因此较大规模的高速公改扩建工程比较少，所以对于高速公路改扩建旧路设施再利用问题鲜有研究报道，而更多的研究成果集中在交通设施自身性能的

12、改善与提高。1.2.1 国内研究现状从国内研究现状来看，目前改扩建高速公路旧路资源再利用的研究热点主要集中在沥青路面再生问题，而关于高速公路改扩建中交通设施再利用问题却鲜有报道。（1）安全设施随着近年来我国高速公路改扩建持续进行，我国在高速公路改扩建工程中安全设施再利用研究和实践上，不断致力于新技术、新方法的提出和应用，同时也加强了安全设施再利用规范的研究工作。黄小清，舒翔等在半刚性护栏的静载实验及能量吸收特性论文中对半刚性护栏缩比试件进行三点弯曲实验，分析了结构的弯曲变形特点，计算出各阶段试件的变形能，并比较在相应阶段中施加的能量差值，研究加载过程中各类变形对能量吸收的贡献。李池英，陈慧等在

13、高速公路波形梁护栏损坏状态及维修方法探讨论文中指出了波形梁护栏的各种损坏状态和相对应的维修方法及适用条件，指出以往维修方法存在的不规范操作。张志刚在新旧的对比分析与建议论文中对比新旧道路交通标志和标线，分析出GB5768-1999版与GB5768-1986版新增和修订内容，提出参考性建议，帮助交通管理者和参与者能正确理解使用新规范，确保道路交通安全运营。初秀民，严新平等在道路标志标线养护管理先进技术论文中阐述了道路标志标线养护信息自动采集系统构成的关键技术，提出了开展道路标志标线养护管理技术研究内容。李富强在标志标线施工质量控制要点论文中介绍了标志标线施工过程中质量控制的重点。耿莉在交通标志和

14、标线试验段工程技术探讨论文中介绍了交通标志和标线试验段工程实施情况，以及分析原有交通标志和标线存在的问题，并研究出相应的技术对策。广东省路桥建设发展等在高速公路波形梁护栏再利用技术研究中使用对拼原波形梁板的方法，发明了“8”字形护栏横梁，并运用理论分析、计算机仿真分析和实车碰撞试验检验“8”字形护栏力学性能，验证了“8”字形护栏横梁安装的可行性，为护栏再利用提供了新思路。徐州正菱涂装的晃兵等在高速公路旧波形梁板涂装再利用工艺论文中阐述了旧路波形梁护栏几种常用的涂装工艺和效果，提出一种新型再利用修复工艺。河南省交通规划勘察设计院李琦，桑永娜在安新高速公路改扩建工程护栏改造设计中通过安新高速改扩建

15、工程的具体设计，提出了护栏改造的设计原则及施工顺序。杨慧龙在高速公路波形梁钢护栏施工质量控制论文中讲述护栏各部分的质量控制要求，为护栏再利用及施工提供标准。2007年交通部颁布的国家高速公路网相关标志更换工作实施技术指南中对高速公路标志更换提供施工指南。1994年交通部颁布的高速公路交通安全设施设计及施工技术规范（JTJ074-94）中对隔离栅的结构、分类、防腐处理、施工安装、质量要求和验收等方面做了详细的规定。另外，相关规范还有交通部于 2006 年颁布了推荐性行业标准公路交通安全设施设计规范(JTG D81-2006)、公路交通安全设施设计细则（JTG/T D81-2006）。（2）机电设

16、施我国高速公路机电技术研究较晚，主要受到当时我国经济以及高速公路交通量较小等因素的影响，在我国高速公路建设初期，没有完善机电设施，但是随着高速公路交通量增长、安全问题的日益突出，高速公路管理部门己经在各条高速公路上建成了具有一定规模的机电系统。李捷在高速公路监控设施改扩建设计方案探讨论文中介绍了高速公路监控设施的改扩建方案，提出了高速公路监控设施的设计原则和重点，对增加高速公路改扩建的经济性、安全性有着重要作用。方正鹏，张智勇在高速公路机电养护评价技术研究一文中提出了基于多层分析法的模糊综合评价方法，对高速公路机电设施进行评价，有助于高速公路机电设施的养护和性能评价。冯俊杰，王铮在高速公路机电

17、设施技术状况评定方法研究文章中通对陕西省一些高速公路机电系统运营维护状况调查和结果分析，研究出一种高速公路机电系统运营维护技术状况的评定方法。广东省公路勘察规划设计院孙卫华在佛开高速公路改扩建工程监控系统方案设计研究对佛开高速公路改扩建过程中监控系统方案设计进行探讨和研究，以保证施工期间交通畅通。（3）绿化植被范启宏等在高速公路绿化工程树木移栽施工关键技术论文中详细介绍了高速公路树木移栽方法和关键技术；杨立伟在京秦高速公路植被建植方式探讨一文中从京秦高速公路所处地理环境特点出发探讨了该地区公路植被建设的方法和技术措施；董雁云在浅淡北方大树移植及管护一文中北方地区大型乔木移植时间、方法和移植后养

18、护措施；郭利，赵晓峰等在公路绿化中树木移植的成活措施论文对公路绿化中树木移植技术进行研究，提出有了较高成活率的移植措施。（4）服务设施我国的高速公路建设发展起步较晚，早期建设高速公路的沿线设施主要侧重于交通安全、通讯和监控等，对人和车辆的服务考虑相对较少。王宏伟，孔庆云等人在沪宁高速公路改扩建工程服务设施规模的研究期刊论文中通过参与设计沪宁高速公路改扩建工程，并充分调查原有服务设施的规模和使用情况，提出了服务区改扩建中餐厅、旅馆、超市等服务设施改扩建的原则。2006年，交通运输部颁布的高速公路交通工程及沿线设施设计通用规范（以下简称交通工程规范）指出，服务区、停车区的建设规模应根据公路设计交通

19、量、交通组成、自然环境、用地条件等因素确定。在2011年11月交通运输部颁布的公路工程项目建设用地指标中沿线设施一章中，规定了服务设施的用地指标，简要阐述了服务设施用地的主要影响因素、服务设施用地现状、服务功能设施的建筑面积计算方法和服务设施进出口加减速车道的用地指标等。综上所述，对比本项目的研究目的，目前国内的研究中还存在以下问题：（1）虽有针对护栏再利用的技术研究，但很不深入，只介绍了旧护栏如何进行外观翻新，而对旧护栏检测评定办法、防撞能力提升办法和改造工艺等核心关键问题未进行研究，因此对于高速公路改扩建的指导意义并不大。（2）缺乏对交通设施再利用性的工程、技术和经济评价等的系统深入研究，

20、大多研究中仅依据外观而这是进行设施再利用判断。（3）缺少系统、全面的旧路交通设施再利用未形成系统的高速公路交通设施再利用相关技术标准、施工规范。1.3 论文的主要研究内容及思路由于高速公路中交通设施繁杂，因此本项目具有多学科交叉特点，因此研究中将以交通设施调查和相关试验为基础，以现行技术标准和规范为依据，综合运用各相关学科知识，对旧路交通设施再利用的技术可行性，并提出旧路设施再利用评估方法、改造工艺及施工技术指南。拟定研究的技术路线如图所示。图1.1 本文研究的技术路线（箭头）本文研究的主要创新点如下：（1）制定了旧交通设施再利用性能评估标准，该评估标准充分考虑旧路交通设施改造的技术可行性、经

21、济可行性及与现行相关技术标准的一致性。（2）提出了旧交通设施再利用性能维护与提升技术。（3）建立了改扩建旧交通设施再利用技术标准和施工指南为此，研究将实现如下关键技术：（1）通过研究，制定旧交通设施再利用性能评估标准。（2）基于交通设施老化规律，提出了交通设施性能发展预测模型，并应用旧交通设施的性能维护及提高技术提高交通设施的使用寿命。（3）结合国内外再利用方法，及交通设施制作标准规范，提出交通设施的再利用施工工艺。（4）通过总结现有评价方法利弊，根据旧路设施实际情况提出新的旧交通设施再利用综合评价方法。第二章 安全设施概述高速公路交通安全设施是高速公路最基本的设施，是保证行车安全、防止交通事

22、故、保障交通顺畅的重要手段。高速公路交通安全设施主要包括交通标志、交通标线、安全护栏、隔离设施、防眩设施和诱导设施。根据相关文献研究，我国大约3万公里的高速公路已进入改扩建阶段，仅安全护栏一项设施我国高速公路改扩建将可能涉及210亿元价值。主要原因是前期建成的高速公路有70%以上采用波形梁护栏，即大约8.4万公里210万吨波形梁护栏钢构件，如果1吨钢材的材料费、加工费和施工运输费为1万元，则我国高速公路改扩建涉及价值210亿元波形梁护栏钢结构材料。因此高速公路安全设施不能有效地再次利用，将造成巨大的经济和资源浪费。为了有效的利用原有高速公路安全设施的材料和结构，进行高速公路安全设施再利用研究是

23、必要的。本文以波形梁钢护栏和交通标志为主要研究目标。2.1 安全护栏分类及适用条件护栏按不同分类标准可以划分为：（1）按设置位置不同可分为路侧护栏和中央分隔带护栏，路侧护栏是指设置于高速公路路肩上的护栏，目的是防止汽车失去控制后越出路外；中央分隔带护栏是指设置于高速公路中央分隔带内的护栏，目的是防止失控汽车穿越中央分隔带闯入对向车道，造成二次碰撞伤害，并保护分隔带内的构造物；（2）按路段可分为一般路段防撞护栏和桥梁护栏；（3）按其受力力学特性(或称为吸能方式)可分为刚性护栏，半刚性护栏和柔性护栏三种形式。本文主要对刚性护栏，半刚性护栏和柔性护栏三种形式进行分析。2.1.1 刚性护栏刚性护栏是一

24、种刚度较大则基本不变形的护栏结构，刚性护栏的其代表形式为混凝土护栏，它是一种以一定断面形状的混凝土块相互连接而组成的墙式结构，通过诱导失控汽车碰撞护栏后沿护栏爬高、摩擦并转向来吸收碰撞能量。混凝土护栏能非常有效地防止汽车越出道路，一般适用于中央分隔带宽度较小或各类桥梁位置处。由于混凝土护栏刚度大、变形小，因而维修费用一般较低。但由于汽车与护栏的碰撞角较大，对汽车和乘员的危害大。因此这种护栏具有的行驶舒适性较差、行驶压迫感较大。2.1.2 半刚性护栏半刚性护栏是一类具有一定的刚度和柔性的连续型梁柱式护栏结构。它是通过车辆与护栏、地面间的摩擦及车辆、土基和护栏本身产生一定量的弹、塑性变形(以护栏系

25、统的变形为主)来吸收碰撞能量。梁柱式半刚性护栏按不同结构又可分为W型波形梁护栏、三波波形梁护栏、管梁护栏、箱梁护栏，根据其力学模式可分为强梁-强柱式护栏、强梁-弱柱式护栏、极强梁-弱柱式护栏、弱梁-强柱式护栏和弱梁-弱柱式护栏。从国内外实际应用情况看，波形梁护栏的应用最为广泛，主要设置在需要着重保护乘员安全的路段，适用于中央隔离带较宽且埋设通信管道的路侧或较大桥等地段。波形梁护栏刚柔相兼，具有较强的吸收碰撞能量的能力，具有较好的视线诱导功能，能与道路线形相协调，外形美观，可在小半径弯道上使用，损坏处容易更换。对于汽车越出道路外，有可能造成严重后果的区段，可选择加强波形梁护栏。2.1.3 柔性护

26、栏柔性护栏是一种具有较大缓冲能力的韧性护栏结构。柔性护栏主要形式是缆索护栏，它是一种以数根施加初张力的缆索固定于立柱上而组成的结构，它主要依靠缆索的拉应力来抵抗汽车的碰撞，吸收碰撞能量。缆索护栏属柔性结构，汽车碰撞时缆索在弹性范围内工作，可以重复使用，容易修复。立柱间距比较灵活，受不均匀沉陷的影响较小。风景区公路采用缆索护栏较为美观。积雪地区，缆索护栏对扫雪的障碍稍小。但缆索护栏施工复杂，端部立柱损坏修理困难，不适合在小半径曲线路段使用；同时它的视线诱导性较差，架设长度短时不经济。综合上述分析，各类护栏的优缺点如表2.1所示：（下面的内容和论文有关吗？）表2.1各种护栏优缺点 护栏形式比较指标

27、混凝土护栏波形梁护栏缆索护栏使用性能对司乘人员损害大对中小型车的碰撞效果较好在危险路段的安全感差视线诱导效果不良很好不良小半径平曲线路段的适应性差好差施工难易易易难与防眩设施配合易易难与通信管道配合易较好较好维修费用低较高高在实际工程应用中，选择哪种形式的护栏，不仅要根据具体情况考虑护栏的优缺点，也要考虑护栏的性能和后期养护成本等，即适应环境需求、满足安全要求，并且要方便后期养护，节省工程养护成本。选择护栏形式应考虑的一些因素如表2.2 所示。表2.2护栏形式选择考虑因素考虑因素要 求足够的防撞性能护栏应阻挡和改变设计汽车的方向变形护栏期望变形值不大于允许的变形范围现场条件应满足路肩宽度和边坡

28、坡度限制兼容性护栏能与已设计的锚固端部和其他护栏的过渡段相连接成本成本低廉，但应充分考虑防撞性能养护和维修日常养护护栏不需要日常养护碰撞维修一般的柔性和半刚性护栏比刚性护栏维修量大材料储备尽量采用一种规格护栏，便于维修并减少材料储备简便性结构简单、施工简便、便于更换美观在某些场合，要求护栏与景观协调实际使用情况现有护栏系统的维修、养护情况2.2 安全护栏技术规范分析国外公路上实际应用的护栏形式，波形梁护栏和缆索护栏为主要护栏形式，在美国和日本高速公路上缆索护栏占较大比重，西欧国家使用多以波形梁护栏为主，混凝土护栏所占比重很小。我国大部分高速公路采用的也是波形梁护栏，如：河北省沿海高速公路、京石

29、高速公路、石安高速公路、京秦高速公路等。针对我国现状，本文以波形梁护栏为主要研究对象。高速公路波形梁钢护栏（JT/T281-1995）中对波形梁护栏的技术要求做了详细规定，对高速公路护栏进行再利用分析具有参考价值。1. 材料要求j波形梁板、立柱、横梁、端头、防阻块等所用基底金属材质为碳素结构钢，其力学性能及化学成分指标应不低于碳素结构钢执行标准（GB700）规定的Q235钢的要求；k连接螺栓、螺母、横梁垫片等所用金属材质为碳素结构钢，其力学性能主要考核指标抗拉强度不小于 375N/mm2；l高强度拼接螺栓连接处选用合金结构钢（20MnTiB 钢）制造，其力学性能及化学成分指标应符合优质碳素结构

30、钢执行标准（GB699）或合金结构钢标准（GB3077）的规定；公称直径16mm，8.8S级抗拉荷载不小于133KN。2. 外观质量要求波形梁纲护栏的冷弯黑色构件表面不得有裂纹、气泡、折叠、夹杂和端面分层，允许有不大于公称厚度10%的轻微凹坑、凸起、压痕、擦伤。表面缺陷允许用修磨方法清理，其整形深度不大于公称厚度的10%；切断面及安装孔不允许有卷沿、飞边和严重毛刺。3. 防腐要求波形梁板、立柱、端头、防阻块、托架采用先热浸镀锌后聚酯喷塑双层防腐处理，波形梁板、立柱、端头镀锌量不低于 270g/；防阻块、托架镀锌量不低于 120g/；所有构件涂塑层厚度不低于 0.076mm。螺栓、螺母等紧固件采

31、用热浸镀锌防腐处理，镀锌量不低于 350g/。此外，公路三波形梁钢护栏（JTT 457-2007）、公路交通安全设施设计规范（GTJ D81-2006）、公路交通安全设施施工技术规范（GTJ F71-2006）和公路质量检测评定标准（GTJ F80-2004）等，也对安全护栏做出了相关规定，对安全护栏的再利用评估和技术具有一定参考价值。2.3 安全护栏实验方法1.静载试验依据力学原理，为得到护栏在模拟条件下的力学性能以及关键部件的强度极限，对护栏板等一些关键结构部件进行有针对性的专项测试，如力和位移关系、承载极限等。2.实验室动态试验实验室动态试验主要用于护栏开发设计的初始阶段，主要由以下两种

32、具体形式：（1）重力摆实验将一定质量的重物用绳索悬挂于固定点，提升一定高度 h 后释放，重物将以速度 v 与固定目标相撞。受冲击重物质量体积的限制，这种实验的冲击速度较低，很难产生较大碰撞能量，因次一般用于护栏立柱等。（2）冲击实验施加一定能量、速度的落锤进行冲击被测试验件，利用各类传感器得到落锤力和速度数值变化，来得到护栏力学性能。3.实车足尺碰撞实验实车足尺碰撞实验是目前国内外采用的主要研究方法。采用真实车辆与真实护栏结构进行碰撞，利用高速摄影拍摄车辆运动轨迹和姿态，利用加速度传感器测量车辆各轴向加速度。但是这类实验需要大型的实验场地以及成套的实验装置和数据采集系统，要花费大量的人力、物力

33、，实验成本较高。4.缩尺模型实验以原护栏一定比例缩小而制成的缩尺模型来代替原护栏进行护栏-车辆碰撞实验。这样可以节省实车冲撞实验的大量经费，但由于缩尺、材料等不同，结果并不可靠。5.软件仿真实验以计算机软件为基础，根据力学原理，建立护栏-车辆碰撞模型，模拟碰撞全过程。其中多以建立多刚体模型和有限单元模型为主。（1）多刚体模型多刚体模型特点是把汽车的发动机、车桥等相对密度较大的部件之间的连接钣等看成类似弹簧的传力部件，其代表软件就是 MADYMO。（2）有限单元模型运用有限元方法解决碰撞过程中车辆结构变形和人员安全等问题。其优越性主要表现为：一是所需费用较低。由于不需要大量硬件设备、进行破坏性试

34、验，因此可以节约大量的人力和物力；二是具有可重复性。通过只改变一个参数，重复上次试验就可得到该参数对系统性能的影响；三是可以获得任意所需的数据。相比于其他实验必须通过增加传感器和高速摄影机的数量，来得到关心点处数据，但是有些位置仪器安装困难，则数据不可获得；而使用计算机仿真只要在所关心的点上建立一个描述坐标即可，不受时间、空间、气候等条件的限制，可以随时进行。2.4 交通标志种类及技术规范2.4.1 交通标志分类（有用吗？）高速公路交通标志主要包括警告标志、禁令标志、指示标志、指路标志和旅游区标志等。1.警告标志警告标志是警告车辆、行人注意道路交通的标志，公路使用者需谨慎行动。警告标志形状为等

35、边三角形，顶角朝上，颜色为黄底、黑边、黑图案，“注意信号灯”标志的图形为红、黄、绿、黑四色。“叉形符号”、“斜杠符号”为白底红图形。常见的有减速慢行标志、车距确认标志、事故多发点标志、追尾危险标志、合流标志等，如图2.1所示合流标志。图 2.1高速公路合流标志2.禁令标志禁令标志是根据道路和交通量情况，为保障交通安全而对车辆行为加以禁止或限制的标志，禁令标志的颜色，除个别标志外，为白底，红圈，红杠，黑图形。3.指示标志指示标志是指示车辆按规定方向、地点行进的标志，指示标志的颜色，除个别标志外，为蓝底、白图形。形状分为圆形、长方形和正方形。常见的指示标志有地点方向指示、分流后入口预告、道路施工标

36、志等，如图2.2所示高速公路指示标志。图 2.2高速公路指示标志4.指路标志指路标志表示道路信息的指引，为驾驶者提供去往目的地所经过的道路、沿途相关城镇、重要公共设施、服务设施、地点、距离和行车方向等信息，高速公路的出入口、服务区、著名地点等。形状为矩形、绿底、白图形、白边框、绿色衬边。图 2.3高速公路指路标志5.旅游区标志旅游区标志设在高速公路出口的减速车道起点附近，提示驾驶者旅游区的名称、方向和距离等信息。形状为矩形、红底或灰底、白图形、白边框。图 2.4高速公路旅游区标志2.4.2 交通标志设置交通标志的设置是根据公路网布局、高速公路在路网中的地位和作用来确定，主要是确定交通标志的设置

37、形式和引导方向。交通标志的设置应能体现高速公路在路网中的地位，清晰地反映路网之间的关系，使司乘人员能清楚、准确预知将要到达的目的地的行驶方向和路径。高速公路交通标志设置时应该考虑以下几个方面：1.交通标志的设置应根据改扩建后高速公路的线形条件、互通立交形式、桥梁、隧道、服务设施等的规模和位置，自然环境，交通状况，道路使用者需求等因素综合确定，其数量应相对均衡，避免信息过载或疏漏。2.分流路段的分流信息宜采用门架式、悬臂式结构的标志传递。3.拆除的标志材料，经局部修补或重新采用防腐防锈处理措施，并经检测合格后，宜重复利用。不能重复利用的护栏材料，应核算其剩余价值。4.公路标志版面内容应能准确、醒

38、目地向道路使用者提供警告、禁令、指示、指路、安全等信息，易于驾驶员认读、醒目。标志的易读程度用判读性表示，醒目程度用诱目性表示。判读与诱目两者总称为标志的辨认性。标志认读过程如图2.5所示。图2.5标志认读过程2.4.3 交通标志相关规范高速公路改扩建工程，一般将会涉及到交通标志位置移动和材料再利用问题。查阅相关规范，其中道路交通标志和标线第2部分道路交通标志，对交通标志的设置位置、逆反射材料及照明等做了明确规定，对高速公路交通标志再利用具有一定参考价值。1.位置设置警告标志前置距离一般根据道路的设计速度确定，也应考虑该路段的最高限制速度或行驶速度进行一定的调整；禁令、指示标志应设置在禁止和限

39、制路段开始的位置，尤其是部分禁令、指示标志开始路段的路口前方，需要设置相应的指路标志提示，可以提前告知限制车辆驾驶人员绕道行驶。2.逆反射材料及照明（1）逆反射材料用于标志面的逆反射材料主要为反光膜。反光膜的逆反射性能应符合GB!T 18833的规定。选择逆反射材料应综合考虑以下原则或因素：标志背景环境影响大、行驶速度快、交通量大的道路宜选用逆反射性能好的材料；门架式标志、悬臂式标志和车行道上方附着式标志宜选用比路侧柱式标志和路侧附着式标志逆反射性能好的材料；四级及以下公路、交通量很小的道路，根据实际情况可选用较其他道路逆反射性能低的材料。（2）照明内部照明为将光源安装于标志板结构内部的照明方

40、式，分单面显示和两面显示两种，要求如下：j内部照明标志应根据板面大小、所受风力等进行结构设计;k确保标志面照度均匀，在夜间具有150 m以上的视认距离;l金属构件应经防腐处理合格，防雨防尘，电器元件耐久可靠，检修方便二外部照明为将光源安装于标志板上部，照亮标志面的照明方式，要求如下：j所选用的外部照明光源的显色指数Ra一般不应低于80，光源应进行专门设计，照明灯具及其阴影不能影响标志认读；k光源在标志面上的照度应均匀，最大照度与最小照度之比应小于4，在夜间具有150 m以上的视认距离；l外部照明光源不应造成眩目；m支撑灯具的构件应防锈处理合格，照明器件耐久可靠，性能优良，检修方便。此外，公路交

41、通标志和标线设置规范（GTJ D82-2009）、公路交通安全设施设计规范（GTJ D81-2006）、公路交通安全设施施工技术规范（GTJ F71-2006）和公路质量检测评定标准（GTJ F80-2004）等对各类交通标志的设置也做出了详细规定，在对高速公路交通标志进行再利用时，同样具有参考价值。2.4.4 交通标志材料要求1.交通标志的立柱和横梁高速公路目前的标志立柱和横梁基本都采用 Q235 的碳素结构钢钢管作为支撑件，立柱和横梁的管径、厚度等外形尺寸的设计应根据标志板面的尺寸、标志的结构形式以及基础承载能力等情况计算得出。标志法兰盘、抱箍、螺栓等结构统一采用钢件制作，钢构件必须经防腐

42、处理才能使用。2.交通标志板制作交通标志板的材料有铝合金板、挤压成型的铝合金型材、钢板、铝塑板、玻璃钢板等。考虑各种材料的力学、耐久性能和价格因素，小型标志可采用玻璃钢板或是铝塑板材料；大、中型标志板（大于 5 ）推荐标志板采用铝合金板，具有质量轻、强度高、耐腐蚀、耐磨等优点，并用槽铝龙骨加固；对面积在 15 以上的大型标志版面结构，为便于运输、安装及养护，宜采用挤压成型的铝合金板拼接而成。3.交通标志反光膜目前普遍使用逆反射材料制作交通标志，可以解决交通标志在夜间的视认性问题。高速公路交通标志采用一、二级反光膜（3M 称为钻石级）；门架式、悬臂式、附着式标志采用一级反光膜；柱式标志、里程标志

43、和百米牌采用二级反光膜；通道、主线上跨的分离立交两端的限高标志采用二级反光膜。由于不同角度反光膜的反光率是不同的，因此粘贴标志反光膜时应注意其方向性和易读性。同一标志中的底膜和字膜所选取的反光膜等级应保持一致，若字膜等级高于底膜等级，会因为反光率差别过大而形成晕光效果，反而影响标志的视认性，因为同一等级的字膜反光率是底膜反光率的 56倍。反光膜逆反射光度性能详见表2.4。表2.4 反光膜逆反射光度性能表反光膜等级观测角入射角最小逆反射系数 白色黄色红色绿色蓝色棕色一级0.2 -46004501201005020 1545032085804015 30300220605025100.33 -43

44、6025060602515 1526018040401810 301601102525106二级0.2 -425017045452012 1520013035351610 301501002525106.50.33 -418012025251410 15150902020118 3010070141485第三章 安全设施再利用性能评价安全设施是车辆在高速公路上安全行驶的基本保障。但是高速公路安全设施种类繁多、设备投入使用年限参差不齐，而且很多设施在使用过程中进行修补改造工作，因此高速公路旧路安全设施再利用性能评估分析，就成为安全设施是否再利用的关键评价步骤。所以再利用前期调查和资料统计工作，必

45、须采取细致、科学的态度，通过现场调研统计、查阅固定资产登记表、查阅竣工文件、查阅养护资料、查阅事故资料、与营运人员沟通了解等工作，完整的了解高速公路现有交通工程设施的设置情况和使用现状；然后通过前面的评价，抽选具有代表性的设施进行相应力学分析，评价设施使用性能是否下降，安全性能是否保证，安全设施是否具有再利用价值。3.1 安全护栏初级性能评估制定相应安全设备性能评估流程，首先联系高速公路资产登记和高速公路养护等管理部门，详细统计高速公路改扩建总路段路侧护栏、中央分隔带护栏、活动护栏的使用年限、养护记录、事故记录；并对现场的交通安全护栏外观状况进行详细记录。安全护栏初级性能评估采用综合评估指数法

46、，由安全护栏外观质量检查结果、使用年限指标测量结果、事故及养护状况、以及日常维护状况进行综合评价，考虑到外观、使用年限和事故及养护三者重要性差别，权值分别取0.6、0.2 和 0.2。3.1式中：为安全护栏初级评价值；各指标的基本分值；各指标的权值。高速公路护栏状况差别较大，则通过安全护栏初级性能评估而得到的取值在08之间，两两数据间相差不同，且数据较多，因此为能达到实际工程简便、易操作，并且能较好的通过评价达到护栏再利用选择的目的，因此根据实验和实际工程经验，设定y=4值作为下一步进行护栏力学性能检测的阈值（如使用年限3年，现场检测为良，护栏损害情况为一般事故，则评估为合格；若护栏损害为严重

47、则评价不合格）。当时，这段安全护栏的初级性能评估结果较差，说明已达不到再利用的价值。当时，这段安全护栏的初级性能评估结果说明护栏已具备再利用的初级条件，但必须进行进一步的实车碰撞试验或进行材料检测，以确定最终性能评估结果，决定其是否达到安全防护性能，具有再利用价值。此时在4,8区间内，为能更好记录和利用数据，继续将（大于4的值）以分类区间取 1值，分为A、B、C、D四类。3.1.1 安全护栏使用年限评价将统计的高速公路改扩建总路段路侧护栏、中央分隔带护栏、活动护栏的使用年限进行分类。根据高速公路交通工程及沿线设施设计通用规范（JTG D80-2006）的规定，交通安全设施各类设备使用年限应不小

48、于下表3.1 的规定。由于早期建设的高速公路护栏按照JTJ 074-94高速公路交通安全设施设计及施工技术规范设计，其中对护栏的碰撞条件规定较低，护栏整体强度偏弱，安全性能较低；并且镀锌层40-60m的护栏在工业大气环境中防护寿命只有6-10 年，喷塑单涂层、镀锌喷漆和喷塑的护栏在使用35 年左右护栏表面出现明显的锈蚀问题；热浸镀锌型护栏也在使用23 年左右出现氧化、发灰、渗锈等缺陷。因此本文推荐旧护栏使用时间大于 5 年的进行淘汰，然后使用时间5年内的护栏，以使用时间为分类标准，以“年”为分类单位，分为 5 类，即以使用时间为 1 年的护栏给以 5 分，使用时间为 2 年的给以 4 分，以此

49、类推。表3.1交通安全设施各类设备使用年限项目使用年限（年）项目使用年限（年）标志7混泥土护栏20标线3防眩板5波形梁护栏15防护网5缆索护栏153.1.2 安全护栏现场检测评价根据高速公路波形梁钢护栏(JT/T 281)及公路三波形梁钢护( JT/T 457 )高速公路交通工程钢构件防腐技术条件（GBT18226-2000）的相关规定，现场检测以波形梁钢护栏的实测和外观鉴定两项为主。1.实测项目护栏由波形梁板、立柱、端头、紧固件、防阻块等构件组成，其现场检测主要采用物理、化学检测手段。通过相应检测手段得到的各项检测值与规定值进行比较，分析出护栏目前状况是否满足要求。图下表3.2 波形梁刚护栏

50、实测项目所示。表3.2 波形梁钢护栏实测项目项次检查项目规定值检查方法及仪器权值1立柱壁厚（mm）4.50.25测厚仪、千分尺12波形梁基地金属厚度（mm）0.16板厚千分尺13镀（涂）层厚度（m）425测厚仪14护栏板顺直度（mm/m）5拉线、直尺15护栏板锈蚀厚度（mm）10化学剂、测厚仪26立柱竖直度（mm/m）10垂线、直尺18护栏板倾斜度（mm）参考下表 拉线、直尺29立柱倾斜度（mm）参考下表拉线、直尺1实测项目的检测方法如上表所示，其中一些项目检测和仪器使用步骤如下立柱壁厚使用测厚仪检测步骤：首先抬起操纵杆，使铁扼和小杆及百分表测杆完全落下，使小杆下端的测足和测厚仪的基座平台接触

51、，调整百分表零点，然后压下操纵杆，使铁扼和小杆及百分表抬起，插入立柱内侧，再略抬操纵杆，使铁扼部分下落，小杆及测足自由地落在立柱壁上，百分表测杆仍被支撑着，锁紧锁闭旋钮后，完全抬起操纵杆，使百分表和铁扼完全落下，这时记录百分表读数，即为立柱壁的厚度。图3.1 测厚仪立柱壁厚使用千分尺检测步骤：将被立柱放在表面平整的平面上；当千分尺的两个测量面与立柱壁面快接触时，就停止旋转微分筒，而改旋转测力装置，使两接触面与立柱壁面相接触，等到发出“咔咔”的三声后，即可进行读数；千分尺测量轴的中心线要与工件被测长度方向相一致，不要歪斜；将千分尺固定开始读数。图3.2 千分尺测定立柱倾斜度步骤：首先使用一根拉线

52、在立柱中心轴线位置，使用第二根拉线柱帽中心上方，使用直尺测量两根拉线间的距离，即得到立柱倾斜度值。图3.3 立柱倾斜度测量示意图护栏板顺直度计算时：直线段以 100m 为一段落进行放线，曲线段以 60m 为一段落进行放线，然后以每10m或8m间距测定控制点；控制点处用铁钉将线绳固定并拉直，再用直尺测量。2.外观鉴定1）镀层及焊缝焊接钢管的焊缝是否平整，有无突起。构件镀锌层表面是否均匀完整、颜色一致，表面具有实用性光滑。镀件表面有无漏镀、露铁、擦痕等缺陷。构件镀铝层表面是否连续，有无明显影响外观质量的熔渣、色泽暗淡及假浸、漏浸等缺陷。构件涂塑层是否均匀光滑、连续，无肉眼可分辨的小孔、空间、孔隙、

53、裂缝、脱皮及其他有害缺陷。图3.4 护栏锈蚀2）护栏板直线段护栏不得有明显的凹凸、起伏现象，曲线段护栏应圆滑顺畅，与线形协调一致，波形梁板搭接方向正确，搭接平顺，护栏板边缘不允许有卷沿、飞边和严重的毛刺；护栏板表面是否有压痕、擦伤，表面是否产生凹坑或凸起，是否严重变形；护栏板污秽程度及油漆损坏状况，是否产生严重锈蚀。图3.5 护栏板损坏状况3）护栏立柱立柱是否倾斜，柱身是否严重变形，立柱及柱帽是否安装牢固，其顶部有无明显塌边、变形、开裂等缺陷，立柱污秽程度及油漆损坏状况，是否产生严重锈蚀，立柱是否有缺失现象。图3.6 护栏立柱损坏情况4）护栏附属部件防阻块、紧固件等护栏附属部件是否产生扭曲变形

54、，螺栓等紧固件是否紧固。图3.7 防阻块和紧固件的损坏状况表3.3 护栏外观鉴定鉴定项目检测项目权值镀层1均匀性；2擦痕露铁1焊缝1平整性1护栏板1平整性；2线形一致性；3搭接合理性；4变形；5油污；6锈蚀3护栏立柱1变形；2倾斜；3油污；4锈蚀；5缺失；6稳固3护栏附属部件1变形；2紧固2通过对高速公路改扩总里程中交通安全护栏进行现场评价，结合外观评测与实测结果，计算综合权值。将安全护栏外观检查结果分为优、良、中、差 5个等级，相应得分分别为10分、6分、3分、0分，具体如表3.4 所示。表3.4 安全护栏现场检测评价等级优1515良1010中8差8外观缺陷无缺陷有轻微缺陷，但不影响护栏正常

55、使用的有明显缺陷，对护栏正常使用造成一定影响有严重缺陷，对护栏正常使用造成严重影响3.1.3 安全护栏事故和养护评价分析统计资料的护栏事故记录、护栏养护记录。以护栏损害的严重程度，并结合事故后护栏是否得到良好养护为准则。护栏事故较为严重已无法运营，已经更换护栏的给以5分；严重损害的护栏减 5 分，较大事故的护栏减 2 分，一般事故但得到相应养护的护栏以0分，无事故护栏且经常日常维护地 5 分。波形梁护栏损害情况如下表3.5所示。表3.5 波形梁护栏损害情况损害等级严重损害较大损害一般损害损害具体程度护栏板最大挠度值等于或大于 425mm；路侧护栏立柱顶部偏移量等于或大于141mm；中分带护栏立

56、柱顶部偏移量等于或大于232mm。护栏板的最大挠度值在 266425mm 之间；路侧护栏立柱顶部偏移量在 131141mm 之间；中分带护栏立柱顶部偏移量在 216232mm 之间。护栏板的最大挠度值小于 266mm；路侧护栏立柱顶部偏移量小于 131mm；中分带护栏立柱顶部偏移量小于216mm。3.2 安全护栏力学性能评估护栏安全性能评价主要通过实车碰撞实验、软件仿真实验、实验室试验得出。实车碰撞实验为高速公路护栏安全性能评价标准推荐方法，能够较为真实反映车辆碰撞结果，是护栏安全性能评价最具权威实验，但车辆碰撞过程难以控制；软件仿真实验通过计算机仿真对碰撞过程较为清晰，但由于建模时忽略很多实

57、际条件，因此仿真结果欠缺可信度；静载试验相比于前两实验能更好控制实验过程，通过处理能使结果具有科学性，得出新旧护栏对比的静态变形量，为旧护栏再利用提供可行性。3.2.1 护栏力学分析模型护栏防撞能力是护栏受到车辆碰撞时，护栏板发生曲面延展、垂直道路方向弯曲变形，立柱倾斜，护栏附属构件受拉、剪切变形，即护栏通过护栏板变形、护栏板自身力学性能、立柱及附属构件变形吸能来抵消吸收碰撞产生能量，以达到阻止车辆穿出高速公路，引导车辆回到原行驶方向。波形梁护栏室内试验主要对护栏板和立柱两个指标进行研究。从护栏整体受力分析，车辆碰撞护栏相当于对护栏施加一个力，护栏板两侧立柱则为护栏提供钢结和铰接支撑。采用结构

58、力学中简支梁模型来分析护栏整体在受力作用下变形情况，简支梁模型中随着作用力为之的不同，产生的挠度也随之发生变化，其中将计算模型中荷载作用于梁的中点是产生简支梁最大挠度位置。图3.9 护栏实际图图3.10 护栏受力理论模型从护栏板自身材料受力分析，垂直于道路延伸方向护栏板产生截面扭曲变形能和结构弯曲塑性变形能；顺着道路方向护栏板发生局部屈曲变形产生局部屈曲变形能。护栏板碰撞变形产生的能量E如下式所得。3.13式中：为截面扭曲变形能；为结构弯曲塑性变形能；为局部屈曲变形能。3.14式中：护栏板材料屈服强度；d护栏板厚度。3.15式中：加载截面上的极限弯矩；加载截面上的转角3.16式中：褶皱长度上的

59、极限弯矩；褶皱的长度；褶皱的弯曲角度从立柱受力分析，考虑立柱地基稳定，土基与立柱是固结，将立柱当作悬臂梁来分析，护栏立柱的受力简化图下图 3.11 所示。图3.11 护栏立柱的受力简化3.2.2 护栏静载实验本文研究护栏性能变化采用简支梁模型如上图 3.10 所示，通过对新旧护栏板中心位置逐步加载和卸载，测量新旧护栏板产生的位移随荷载的变化情况，来分析旧护栏力学性能变化。1.实验仪器立柱式万能试验机、两个预置混凝土支座平台、法兰盘或其他夹具，新旧护栏多套，高强空心立柱，压力传感器，WYJ-50 型位移计。其中：立柱式万能试验机的系统采用高精度数字电液伺服调压调速技术，立柱间距540mm，适用于

60、50KN-1000kN液压式万能试验机改造升级为微机控制电液伺服万能试验机。具有电子测量采集试验数据、自动分析，打印报表和曲线等功能。适用于金属的拉伸、压缩等试验，亦可用于水泥及混凝土等非金属材料的压缩试验。高强立柱要求加载过程中变形较小，因此记录护栏板位移与荷载关系时，可以忽略立柱变形。图3.12 位移计2.实验过程首先检验并调试试验机，启动油泵反复升起活塞，将油缸、油管内的空气排净可观察到回油是连续、稳定的，如果在试压中发现指针在某个区间有呆滞现象，则选用最大量程，调整工作压力到量程的一半并稳定；进行以上操作时必须注意：工作压力不可过大；排气丝堵旋回时用力应轻缓，谨防拧断。（1）调试完好后

61、，放置好预置混凝土（垫板）位置，将立柱固定到混凝土支座的空洞中，并在外则用法兰盘固定，防止加载过程中立柱在混凝土中滑动；（2）再将护栏板和高强立柱端头使用高强金属螺栓进行固定，可以还原护栏整体受力和防止实验时护栏板端头翘起；（3）移动护栏使加载头位于护栏板中心上方；按照测控箱后面板的接口标示，将连接线紧固在各接口上，防止因松动导致接触不良；（4）位移计连接到护栏板中央位置处(加载力下方)；压力传感器安装在回油管或油缸上；确保各设备连接完好后，按动按钮进行实验；（5）数据采集为50hz，记录位移-荷载数据。图3.13护栏与支座的效果图和实际实验截图3、实验结果分析取京港澳高速公路石家庄至磁县（冀

62、豫界）段改扩建工程中旧护栏和未使用新的护栏进行实验，旧护栏要求：使用时间为3年，现场检测为优，无事故且养护良好。使用新旧护栏板和全新立柱、防阻块等按上述步骤进行组装，放置加载头正下方正确位置，进行实验加载，参考相关文献：在跨度2m下，波形梁护栏的塑性极限荷载为35kN。因此初期加载幅度较大，按照 5 KN一级，接近屈服极限时用 2.5 KN一级。记录实验数据。新旧护栏板位移-荷载关系如下图3.15 所示。图4.14 现场实验图图3.15新旧护栏板位-静载力关系有上图3.15 可知，在板荷载不大于30 KN时，新旧护栏的变形位移差距不大，原因荷载较小时，新旧护栏板强度都满足要求，因此两者产生位移基本相同；当荷载进一步加大，边支座和跨中护栏板进入塑性变形，出现塑性铰，并出现较小的支座拉力。当荷载达到40kN左右时，护栏板跨中边缘钢板开始出现裂缝，因此随着载荷的增加 30-60KN 之间，新旧护栏板变形都迅速增大，但旧护栏板变形产生位移大小和速度明显大于新护栏板的，说明旧护栏强度等力学性能下降；在荷