混凝土护栏主要有哪些型式?设计原理是什么?

来源:交通言究社 | 2021-02-03 09:05

导读:


在各式混凝土护栏中,最负盛名的是纽泽西混凝土护栏及其后来衍生的其他较新型式混凝土护栏,对道路交通安全贡献极为卓著。


纽泽西混凝土护栏的设计内涵在于充分利用能量转换原理,将高速行进车辆造成的冲击能量经由护栏倾斜面转换为位能,有效降低事故严重性。


F型护栏耐撞或吸能效果比传统纽泽西混凝土护栏更佳,也可更有效降低小汽车冲撞护栏时的翻覆机率,现今新辟道路都以F型混凝土护栏取代较早期的纽泽西混凝土护栏。


道路工程中使用的混凝土护栏种类众多,依设计速率、设计车辆、道路等级、几何线形等各条件而异。在各式混凝土护栏中,最负盛名的是纽泽西混凝土护栏(New Jersey Concrete Barrier,New Jersey Safety Shape Concrete Barrier,简称Jersey Barrier,NJ Barrier)及其后来衍生的其他较新型式混凝土护栏。时至今日,在各式混凝土护栏中,纽泽西混凝土护栏及其后续衍生的改良式护栏(尺寸稍有不同,安全设计理念相同)可以说是全球各式混凝土道路护栏使用量最大者,对道路交通安全贡献极为卓著。


一、纽泽西混凝土护栏


1、研发背景源于高发的道路交通事故


纽泽西混凝土护栏于1950年由位于美国纽泽西州的史帝文生理工学院(Stevens Institute of Technology)最早开发,经一连串理论分析、实车撞击测试与安全验证,最终正式尺寸于1959年经由美国联邦政府运输部(US Department of Transportation,US DOT)认可确立。


第二次世界大战结束后,美国境内高速公路建设如火如荼,其累积高速公路里程举世无双,但也衍生出众多道路交通事故,付出极大社会成本。基于此,美国政府对高速公路车辆肇事问题的研究经年不断,其中,为避免高速公路相邻对向车道车辆正向对撞,研究在中央分向带较窄无法进行植栽的地区,设置双倾斜面混凝土护栏,以达到避免或减轻车流对撞事故的效果。经研究及实地设置在公路的比较资料显示,效果极为良好。美国联邦高速公路总署(Federal Highway Administration,FHWA)由五十个州的应用与试验得到以下结论:“由试验与经验显示,双倾斜面混凝土护栏的性能明显优于其他型式护栏”。


纽泽西州是美国最先使用此种混凝土护栏的,因此工程界以纽泽西混凝土护栏通称,图1为其横断面示意图。该州曾在1949年以车祸统计方式统计其使用成效,在某一交通量每天高达60000~70000的公路上,未装设该护栏之前三年内有11人死于对撞车祸;装设后,再无对撞事故死亡事件发生。可见此种混凝土护栏完全隔离区分对向车流的效果极佳,可有效避免相邻对向车流产生对撞事故。

混凝土护栏主要有哪些型式?设计原理是什么?

图1:典型双面防护式纽泽西混凝土护栏

美国加州(California)是美国最先采用混凝土护栏之一州(1946年),但当时仅是单纯考量以坚硬耐撞的混凝土连续块状结构取代早期木制护栏。当纽泽西混凝土护栏知名度大增,拦阻与导正车辆功效倍受肯定后,该州于1957年也开始针对纽泽西混凝土护栏进行一连串试验,并得出结论:此种护栏为相当理想的狭窄型分向岛,能有效改变碰撞车辆的前进方向,车辆爬升后会因为重力关系下滑至路面而不致受损或受损极小,仅在护栏侧留下轮胎擦痕,而护栏本身不受损。此种护栏比以往使用的金属护栏可节省相当可观的养护费用,混凝土护栏不易因车辆撞击而破坏毁损,但金属护栏易被撞凹损且易锈蚀(例如未热浸镀锌处理的),修复成本高。


2、力学考量重点在于充分利用能量转换原理


纽泽西混凝土护栏的设计内涵在于充分利用能量转换原理(Energy Transformation Theory),即将高速行进车辆造成的冲击能量(Impact Energy)经由护栏倾斜面转换为位能(Potential Energy),进而有效降低事故严重性,车辆外壳板金可能有毁损,但是车内乘员承受的冲击力将大为减低。


整体而言,纽泽西混凝土护栏的特殊功能可归纳如下:


体积、结构强度与重量都非常大的混凝土护栏可有效在极短时间内承受车辆撞击能量,而护栏本身不至于破裂毁损。


混凝土护栏面向行车道的两个倾斜面(即迎撞面)可快速逼使撞击车辆速度下降,能正面助益降低事故严重性。


在某撞击角度内前提下,发生撞击车辆产生的冲击能量能被有效转换成位能。车辆虽因高速冲击护栏而沿倾斜面爬升,但是车辆也因本身重力的原因,可由护栏倾斜面下滑至路面,车辆还有较大机会可安全返回原来行车路径,即此种护栏具有导向功能。


图2为车辆撞击纽泽西混凝土护栏时,轮胎爬升致摩擦护栏倾斜面而造成痕迹的实例。冲击时车速越快,爬升高度越高。

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图2:车辆撞击纽泽西混凝土护栏遗留的擦痕

纽泽西混凝土护栏底部3英寸(7.5cm)垂直面主要目的在于提供护栏与路面间的清晰界面,同时兼具吸收铺面刨除重铺时的空间与收集路面横向排水的功能。车辆撞击7.5cm高垂直面的效应如同车辆撞击7.5cm高垂直式缘石。此3英寸垂直面在车辆冲撞时也可吸收小部分冲击能量,例如车速快,冲击角度大,由于冲击能量较大,车轮在撞击垂直面后极可能沿着下倾斜面往上爬升,但是因为车辆重量,车辆最终须沿着倾斜面下滑至路面。当然,如果冲击能量大于垂直面与下倾斜面可吸收的总位能,此时车轮将爬升至上倾斜面,其倾斜角度更陡(84°),且倾斜混凝土表面对轮胎而言十分光滑,因此车轮继续爬升的机会微乎其微,车辆终将因重力而下滑至路面,这是纽泽西混凝土护栏可完全阻止车流跨越至对向车道而发生与其他车辆对撞的理论依据。


台湾地区采用的纽泽西混凝土护栏在底部垂直面处通常为3〞~ 4〞(7.5cm~10cm)。从防撞性能与吸能效果而言,将底部垂直面由7.5cm提升至10cm对纽泽西混凝土护栏耐撞、原始车辆撞击能量转换为位能的功能应无影响或仅些微影响。


某些情况下,为了达到行车道路面横向排水功能,可每隔一段距离施作一开孔,例如位于曲线弯道的内侧(曲率半径较小者)。但是开孔的高度不宜延伸至下倾斜面,即排水孔高度最多只可与护栏底部垂直面同高,以免妨碍甚至破坏纽泽西混凝土护栏的正常功能(见图3)。


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图3:纽泽西混凝土护栏底部开孔

二、衍生的其他型式护栏


1、F型混凝土护栏


纽泽西混凝土护栏研发采用的原始尺寸参考GM Type Barrier而来(见图4a,其中GM是美国通用汽车General Motor的简称),下倾斜面由原来13英寸(33cm)减至最终定案10英寸(25cm)。


纽泽西混凝土护栏最重要设计参数是底部7.5cm垂直面及上、下两倾斜面(下层倾斜角度为55°,高度10英寸,即25.5cm;上层倾斜角度为84°,高度19英寸,即48cm)转折点与护栏底部垂直面顶点的距离。当小汽车以某一冲击角度侧向高速撞击纽泽西混凝土护栏后,车辆前轮会急速接触护栏垂直面,然后紧贴下倾斜面快速爬升,当爬升高度越高,随着小汽车高速继续前进,车辆侧倾(轮胎撞击护栏一侧高,另一侧低)程度剧增,其往路面侧翻(内翻)的机会越大。


基于此,美国联邦高速公路总署(Federal Highway Administration,FHWA)又主导进行原纽泽西混凝土护栏断面研究改良,将上、下两倾斜面转折点离护栏底部垂直面顶点距离由10〞(25.5cm)与7〞(18cm)等尺寸,制造编号A至F的各式预铸混凝土护栏,然后进行一系列实车撞击试验,最后确定编号F的效果最佳,因此工程界称为“F型混凝土护栏”,简称F型护栏(F-shape Concrete Barrier),图4c为其横断面。


混凝土护栏主要有哪些型式?设计原理是什么?

图4:混凝土护栏倾斜面转折点高度的变化

经FHWA及相关研究单位实车撞击试验结果证实,F型护栏耐撞或吸能效果比传统纽泽西混凝土护栏更佳,同时也可更有效降低小汽车冲撞护栏时的翻覆机率,主要原因在于F型混凝土护栏下倾斜面高度只有7英寸(18cm)。现今新辟道路都以F型混凝土护栏取代较早期的纽泽西混凝土护栏,随着F型混凝土护栏问世,纽泽西混凝土护栏已正式步入历史。有些道路主管机关甚至通令今后不准再使用纽泽西混凝土护栏,例如我国交通运输部及美国大部分州政府。


2、单斜率型混凝土护栏


传统纽泽西混凝土护栏与后续研究改良F型混凝土护栏都有三个斜率的表面,即高度7.5cm底部垂直面与倾斜角55°、84°斜面。当道路沥青铺面刨除重铺后,底部垂直面高度可能改变,改变量如太大可能破坏原护栏迎撞面撞击吸能、缓冲机制。因此有些道路主管机关(例如美国德州、澳洲)索性将多斜率表面改为单斜率型混凝土护栏,图5b为典型例,此断面由美国德州运输局(Texas Department of Transportation,TX DOT)开发定案。


混凝土护栏主要有哪些型式?设计原理是什么?

图5:F型与单斜率型混凝土护栏差异

单表面斜率混凝土护栏与F型混凝土护栏一样都具有优异的耐撞功能与吸收车辆撞击动能功效,且单斜率护栏表面斜率不会因沥青路面刨除重铺而有所改变,因此单斜率型混凝土护栏在新设道路工程中也极获青睐。此外,随着车辆动力与尺寸越来越大,为进一步保证车辆不至于跨越,单斜率型混凝土护栏的高度提高至42英寸(107 cm)。这高度是根据一连串实车撞击试验确定,比传统纽泽西混凝土护栏高约10英寸(25cm)左右。


3、混凝土、钢管组合式护栏


混凝土、钢管组合式路侧护栏指护栏下方为钢筋混凝土基座,上方是钢管(可能圆形或矩形钢管),图6是圆钢管组合式护栏典型例。

混凝土护栏主要有哪些型式?设计原理是什么?

图6:典型圆钢管组合式护栏

钢管护栏下方混凝土基座应具有连续性,即使为了路面横向排水效率,其开口也应仅局限于基座下方,不得破坏混凝土基座连续性,图7为典型错误例。完全断开的混凝土基座对路面横向排水效率可能有助益,但却极易造成车辆轮胎的“绊阻效应”(Tire Snagging),即驶离行车道的车辆一旦撞击此开口,轮胎易塞进此开口中,致使车辆瞬间减速度太大,易造成车辆瞬间弹跳、侧翻,衍生严重道路交通事故。

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图7:混凝土基座开孔错误例

图8也是极为错误的例子,凡是采用钢管护栏时,钢管表面必须比混凝土基座更靠近路面,因为当车辆撞击此种护栏时,钢管表面为迎撞面,可提供摩擦、拦阻车辆的功能;此外,基座全纵深开口也可能造成“绊阻效应”。

混凝土护栏主要有哪些型式?设计原理是什么?图8:钢管表面应比混凝土基座更靠近路面


(文/公安部道路交通安全研究中心特约专家、台湾逢甲大学运输科技与管理学系所副教授 徐耀赐)

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