混凝土护栏功能的发挥受哪些因素影响?

来源:122交通网 | 2021-02-19 11:42

导读:


混凝土护栏结构强度最基本要求是当车辆撞击护栏时,混凝土护栏本身不得破裂、毁损,更不得崩解。


与直壁式混凝土护栏比较,斜坡面混凝土护栏可延长撞击历程时间,具有明显的缓冲、吸能效果。


混凝土护栏立面不可太低,因其可能无法发挥拦阻车辆的功能,但也不宜过高,徒增工程费用,甚至有碍景观美感与妨碍视距。


混凝土护栏拦阻功能的发挥受坡面与高度综合影响


任何型式的混凝土护栏迎撞面受车辆撞击时能否发挥预期拦阻功能,主要取决于三大重点,即“三度”:


单位长度混凝土护栏的“劲度”,或称“结构强度”。


混凝土护栏面对行车方向迎撞面的坡度。此坡度可能是单一坡度或多重坡度,不同护栏存在差异,通称为“坡面”。


混凝土护栏高度。高度不足,车辆撞击护栏时,跨骑(Overriding)与往护栏外翻覆(外翻)的机会大增。


1、护栏结构强度


混凝土护栏结构强度最基本要求是当车辆撞击护栏时,混凝土护栏本身不得破裂、毁损,更不得崩解。具体来说,车辆绝不可因撞击而穿刺、穿透或毁损混凝土护栏。


为保证混凝土护栏能够承受车辆撞击,工程实务上都以“降伏线破坏分析”(Yield Line Failure Analysis)理论作为基础,保证混凝土护栏极限强度(Ultimate Strength)可承受车辆侧向冲击力(Lateral Impact Forces),此理论在混凝土结构力学分析中已被证实可行且已广泛应用于各式混凝土护栏的撞击能力分析中,例如美国《公路桥梁设计规范》(AASHTO)中桥梁混凝土护栏设计都是依托于此理论。


除了混凝土本身具备合格抗压强度外,混凝土护栏结构中一定有数量足够且抗拉强度、握裹强度(Bonding Strength)都符合规范要求的竹节钢筋,加上降伏线破坏分析理论已极成熟,因此道路工程实务中,除非情况特殊,混凝土护栏受车辆撞击时,护栏表面可能有些微刮痕或微小坑洞,全盘性破坏崩解致使车辆全然穿透护栏几乎不可能发生。图1是不合理桥梁混凝土护栏损坏模式,纵横双向钢筋的布设明显不足。


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图1:不合理桥梁混凝土护栏损坏模式



2、护栏坡面


图2为四种不同坡面的混凝土护栏,图2a是道路工程界最早期采用的直壁式混凝土护栏,迎撞面与路面垂直。在结构强度与高度良好的前提下,这种护栏对车辆的拦阻能力最强。同时因迎撞面垂直的原因,在车辆撞击条件(车重、车型、撞击角…)都相同的前提下,车辆与此种护栏迎撞面接触时间最短,但此种护栏撞击历程(Impact Duration,由撞击开始至车辆完全停止的过程)太短,无法提供吸能、缓冲机制,车辆撞击时减速度较大,例如车速瞬间由100km/h剧降至10km/h,甚至瞬间停止。减速度越大,对车内驾乘人员伤害越大,因此高、快速公路绝不可设置直壁式混凝土护栏。


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图2:不同坡面混凝土护栏


与直壁式混凝土护栏比较,斜坡面混凝土护栏可延长撞击历程时间,车辆轮胎沿斜坡面爬上,而后因车辆本身重力下滑至路面,消耗车辆的冲击能(Impact Energy,Vehicle Kinematics),斜坡面混凝土护栏具有明显的缓冲、吸能效果。混凝土护栏斜坡值背后有其实质意义,这些坡度是经过一系列理论分析与实车撞击试验得知的结果,因此其吸能、缓冲效果毋庸置疑。


3、护栏高度


传统纽泽西混凝土护栏、F型混凝土护栏原始高度都为82cm(32英寸),但在迎撞面不改变的前提下,护栏底座宽度与护栏高度可根据设计所需调整,其高度可与单斜率型混凝土护栏高度一致,即将原82cm(32英寸)调高至107cm(42英寸)。


图3是当车辆以高速撞击混凝土护栏迎撞面时,可能发生的车辆运动状态(通称Vehicle responses),为三度空间动态:



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图3:车辆撞击护栏时可能发生的运动状态


弹跳(Heave),针对车辆行进方向上方垂直向,易造成车辆摇摆(Yaw)现象,车速越快,车头弹跳越高,车辆摇摆程度越复杂。


波动(Surge),车辆撞击后在行进方向的不稳定行为,可能导致车辆左右两侧有明显高低差,甚至快速翻转(Roll)。


侧移(Sway),由车辆撞击护栏造成的侧向反弹力所导致,可能导致车辆腾空而被抛飞(Pitch)。


当车辆撞击护栏发生弹跳现象时,速度越快,冲击能量越高,弹跳高度也越高,此时若护栏高度不足,则车辆可能骑跨护栏上,甚至翻覆于护栏外。


混凝土护栏立面不可太低,因其可能无法发挥拦阻车辆的功能,但也不宜过高,徒增工程费用,甚至有碍景观美感与妨碍视距。一般来说,结合设计功能所需与考量设计车辆及护栏防撞等级,合适的混凝土护栏高度通常可参考有公信力的设计规范来决定。


需要注意,前述车辆撞击护栏后的运动状态仅针对车辆撞击混凝土护栏面对行车道的迎撞面而言。


刚性护栏特性及适用性


从护栏单位长度的结构劲度而言,前述纽泽西混凝土护栏、F型混凝土护栏及单斜率型混凝土护栏都属于刚性护栏(Rigid Barrier)。


1、刚性护栏优缺点


刚性护栏具有特定的断面形式,单位长度重量大,受车辆撞击时不至于发生明显变形,最常见为混凝土制,如前述各种连续墙式结构的钢筋混凝土护栏,适合于场铸(Cast-in-Place)、预铸(Precast)吊装与现场扣件(例如Pin and Loop)相互连接。主要存在以下优缺点:


优点:刚性护栏对防止车辆驶出路外、防止对向车流产生正面对撞(Head-on Crash)的效果极佳,且因受车辆撞击后的变形微乎其微,如有受损仅止于表面擦伤(Cosmetic Damage),长期而言,其养护维修费用极低,符合生命周期成本最小化的理念。


缺点:当车辆与刚性护栏撞击角度越大,车辆瞬间速度剧减量越大,例如25°以上,则其对车辆与乘客的伤害越严重。此外,连续墙式刚性混凝土结构可能造成路面横向排水功能不佳,且视线通透性较差,对道路整体景观较易有负面影响,对长途驾驶人的心理压迫感较大。


2、刚性护栏适用性


刚性混凝土护栏适用于双向车流量都较大的路段,例如:高速、快速公路的中央分向带或分向岛;也适用于山区道路几何线形复杂路段外侧,或路侧为悬崖深沟等车辆驶出易有严重事故路段,不过山区道路雨量较大,山区道路的排水功能不得因设置刚性混凝土护栏而受影响。


刚性混凝土护栏景观性与环境协调性较差,强调景观功能与环境和谐的道路应谨慎采用。此外,刚性混凝土护栏易阻碍积雪清除,易下雪地区宜避免采用。


不论是早期研发的纽泽西混凝土护栏,还是较晚新研发的F型混凝土护栏或单斜率型混凝土护栏,其原始开发适用对象都是针对四轮或以上机动车,因此其对仅有前后双轮的摩托车防护效果较为有限,尤其对快速冲撞护栏的摩托车并无实质拦阻功用。其主要原因是摩托车撞击混凝土护栏时,摩托车虽可被拦下,但因车速骤减,驾驶人极易被弹飞,造成致命性伤害。此外,自行车也是,不过自行车速度较低,造成的伤害也相对轻微。


(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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