于少磊

摘要：新澤西混凝土護(hù)欄的設(shè)計(jì)核心內(nèi)容在于充分利用能量轉(zhuǎn)換原理（Energy Transformation Theory），即將高速行進(jìn)車輛造成的沖擊能量（Impact Energy）經(jīng)由護(hù)欄傾斜面轉(zhuǎn)換為位能（Potential Energy），進(jìn)而有效降低事故嚴(yán)重性，車輛外殼金屬可能有毀損，但是車內(nèi)乘員承受的沖擊力將大為減低。

關(guān)鍵詞：公路護(hù)欄、撞擊試驗(yàn)、沖擊能量、安全性

0引言

在各式混凝土護(hù)欄中，最負(fù)盛名的是新澤西混凝土護(hù)欄及其后來衍生的其他較新型式混凝土護(hù)欄，混凝土護(hù)欄對道路交通安全貢獻(xiàn)極為卓著。新澤西混凝土護(hù)欄的設(shè)計(jì)核心在于充分利用能量轉(zhuǎn)換的原理，將高速行進(jìn)車輛造成的沖擊能量經(jīng)由護(hù)欄傾斜面轉(zhuǎn)換為位能，有效降低事故嚴(yán)重性。我國公路行業(yè)現(xiàn)行規(guī)范中使用的F型混凝土護(hù)欄以及加強(qiáng)型混凝土護(hù)欄的耐撞性能以及吸能效果比傳統(tǒng)新澤西混凝土護(hù)欄效能更佳，也可更加有效降低小汽車沖撞護(hù)欄時(shí)的翻覆機(jī)率。

在道路工程中使用的混凝土護(hù)欄種類眾多，按照車輛行駛的設(shè)計(jì)速度、設(shè)計(jì)車輛的外形尺寸、道路服務(wù)等級、路線幾何線形等各類條件而異。在各式混凝土護(hù)欄中，最負(fù)盛名的是紐澤西混凝土護(hù)欄（New Jersey Concrete Barrier、New Jersey Safety Shape Concrete Barrier、簡稱Jersey Barrier，）及其后來衍生的其他較新型式混凝土護(hù)欄。時(shí)至今日，在各式混凝土護(hù)欄中，新澤西混凝土護(hù)欄（NJ Barrier）及其后續(xù)衍生的改良式護(hù)欄（尺寸稍有不同，安全設(shè)計(jì)理念一致）可以說是全世界各種道路混凝土護(hù)欄的設(shè)計(jì)原型，對道路交通安全貢獻(xiàn)極為卓著。

1研發(fā)背景源于高發(fā)的道路交通事故

新澤西混凝土護(hù)欄于1950年由位于美國紐澤西州的史蒂文森理工學(xué)院（Stevens Institute of Technology）最早開發(fā)，經(jīng)過一系列的理論分析、實(shí)車撞擊測試與安全驗(yàn)證，最終在1959年經(jīng)由美國聯(lián)邦政府運(yùn)輸部（US Department of Transportation，US DOT）認(rèn)可確立正式尺寸。

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，美國境內(nèi)高速公路建設(shè)如火如荼，其累積高速公路里程舉世無雙，但也衍生出眾多道路交通事故，付出極大社會(huì)成本?；诖?，美國政府對高速公路車輛肇事問題的研究經(jīng)年不斷。

其中，為避免高速公路以及城市快速公路相鄰對向車道車輛正向?qū)ψ玻芯吭谥醒敕窒驇л^窄無法進(jìn)行植栽的地區(qū)，設(shè)置雙傾斜面混凝土護(hù)欄，以達(dá)到避免或減輕車流對撞事故的效果。經(jīng)研究及實(shí)地設(shè)置在公路的比較資料顯示，效果極為良好。

最終在美國聯(lián)邦高速公路總署（Federal Highway Administration，F(xiàn)HWA）在五十個(gè)州的應(yīng)用與試驗(yàn)得到以下結(jié)論：“由試驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)顯示，雙傾斜面混凝土護(hù)欄的性能明顯優(yōu)于其他型式護(hù)欄” ”。

新澤西州是美國最先使用此種混凝土護(hù)欄的，因此工程界以紐澤西混凝土護(hù)欄通稱（圖1為典型雙面防護(hù)式紐澤西混凝土護(hù)欄橫斷面示意圖）。新澤西州曾在1949年以車禍統(tǒng)計(jì)方式統(tǒng)計(jì)其使用成效，在某一交通量每天高達(dá)60000～70000的公路上，未裝設(shè)該護(hù)欄之前三年內(nèi)有11人死于對撞車禍;改型護(hù)欄安裝后，再無對撞事故死亡事件發(fā)生?？梢娦聺晌骰炷磷o(hù)欄完全隔離區(qū)分對向車流的效果極佳，可有效避免相鄰對向車流產(chǎn)生對撞事故。

美國加利福尼亞州（California）是美國最先采用混凝土護(hù)欄之一州（1946年），但當(dāng)時(shí)僅是單純考量以堅(jiān)硬耐撞的混凝土連續(xù)塊狀結(jié)構(gòu)取代早期木制護(hù)欄。當(dāng)新澤西混凝土護(hù)欄知名度大增，攔阻效果與導(dǎo)正車輛功能倍受肯定后，該州于1957年也開始針對新澤西混凝土護(hù)欄進(jìn)行一連串試驗(yàn)，并得出以下結(jié)論：“此種護(hù)欄為相當(dāng)理想的狹窄型分向島，能有效改變碰撞車輛的前進(jìn)方向，車輛爬升后會(huì)因?yàn)橹亓﹃P(guān)系下滑至路面而不致受損或受損極小，僅在護(hù)欄側(cè)留下輪胎擦痕，而護(hù)欄本身不受損。此種護(hù)欄比以往使用的金屬護(hù)欄可節(jié)省相當(dāng)可觀的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，混凝土護(hù)欄不易因車輛撞擊而破壞毀損，但金屬護(hù)欄易被撞凹損且易銹蝕，（例如未熱浸鍍鋅處理的）修復(fù)成本高?！?/p>

2力學(xué)設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于充分利用能量轉(zhuǎn)換原理

新澤西混凝土護(hù)欄的設(shè)計(jì)核心內(nèi)容在于充分利用能量轉(zhuǎn)換原理（Energy Transformation Theory），即將高速行進(jìn)車輛造成的沖擊能量（Impact Energy）經(jīng)由護(hù)欄傾斜面轉(zhuǎn)換為位能（Potential Energy），進(jìn)而有效降低事故嚴(yán)重性，車輛外殼金屬可能有毀損，但是車內(nèi)乘員承受的沖擊力將大為減低。

整體而言，紐澤西混凝土護(hù)欄的特殊功能可歸納如下：

1.體積、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與重量都非常大的混凝土護(hù)欄可有效在極短時(shí)間內(nèi)承受車輛撞擊能量，而護(hù)欄本身不至于破裂毀損。

2.混凝土護(hù)欄面向行車道的兩個(gè)傾斜面（即迎撞面）可快速逼使撞擊車輛速度下降，能正面有效降低事故嚴(yán)重性。

3.在某撞擊角度的前提下，發(fā)生撞擊車輛產(chǎn)生的沖擊能量能被有效轉(zhuǎn)換成位能。車輛雖因高速?zèng)_擊護(hù)欄而沿傾斜面爬升，但是車輛也因本身重力的原因，可由護(hù)欄傾斜面下滑至路面，車輛還有較大機(jī)會(huì)可安全返回原來行車路徑，即新澤西混凝土護(hù)欄具有導(dǎo)向功能。

車輛在撞擊新澤西混凝土護(hù)欄時(shí)，車輛輪胎爬升致摩擦護(hù)欄傾斜面從而造成嚴(yán)重的摩擦痕跡。車輛沖擊護(hù)欄時(shí)車輛行駛速度越快，車輛輪胎爬升高度越高。

新澤西混凝土護(hù)欄底部7.5cm垂直面主要目的在于提供護(hù)欄與路面間的清晰界面，同時(shí)兼具吸收路面鋪筑面層刨除重鋪時(shí)的空間與收集路面橫向排水的功能。車輛撞擊7.5cm高度垂直面的效應(yīng)如同車輛撞擊7.5cm高垂直式路緣石。該高度垂直面在車輛沖撞時(shí)也可吸收小部分沖擊能量。但是由于車速快，沖擊角度大，所產(chǎn)生沖擊能量較大，車輪在撞擊垂直面后極可能沿著下傾斜面往上爬升，但是因?yàn)檐囕v重量自重，最終須沿著傾斜面下滑至路面。

當(dāng)然，如果沖擊能量大于垂直面與下傾斜面可吸收的總位能，此時(shí)車輪將爬升至上傾斜面，其傾斜角度更陡（84°），且傾斜混凝土表面對輪胎而言十分光滑，因此車輪繼續(xù)爬升的機(jī)會(huì)微乎其微，車輛終將因重力而下滑至路面，這是新澤西混凝土護(hù)欄可完全阻止車流跨越至對向車道而發(fā)生與其他車輛對撞的理論依據(jù)。

經(jīng)過對該類護(hù)欄的詳細(xì)研究日本、東南亞地區(qū)所采用的新澤西混凝土護(hù)欄在底部垂直面處通常采用7.5cm～10cm。從防撞性能與吸能效果而言，將底部垂直面由7.5cm提升至10cm對新澤西混凝土護(hù)欄耐撞性、行駛車輛撞擊能量轉(zhuǎn)換為位能的功能無影響或僅有略微影響。

在通常情況下，為了達(dá)到行車道路面橫向排水功能，可每隔一段距離設(shè)計(jì)一處開孔，但位于曲線彎道的內(nèi)側(cè)（曲率半徑較處）應(yīng)適當(dāng)加密設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中開孔的高度不宜延伸至下傾斜面，即排水孔高度最多只可與護(hù)欄底部垂直面同高，以免妨礙甚至破壞新澤西混凝土護(hù)欄的防護(hù)性能。

3新澤西混凝土護(hù)欄衍生的其他型式護(hù)欄

1.F型混凝土護(hù)欄

新澤西混凝土護(hù)欄研發(fā)采用的原始尺寸參考GM Type Barrier而來（見圖2，其中GM是美國通用汽車General Motor的簡稱），下傾斜面由原來33cm減至最終定案25cm）。

新澤西混凝土護(hù)欄最重要設(shè)計(jì)參數(shù)是底部7.5cm以及垂直面及上、下兩傾斜面（下層傾斜角度為55°，高度25.5cm;上層傾斜角度為84°，高度49cm）轉(zhuǎn)折點(diǎn)與護(hù)欄底部垂直面頂點(diǎn)的距離。當(dāng)小汽車以某一沖擊角度側(cè)向高速撞擊新澤西混凝土護(hù)欄后，車輛前輪會(huì)急速接觸護(hù)欄垂直面，然后緊貼下傾斜面快速爬升，當(dāng)爬升高度越高，隨著小汽車高速繼續(xù)前進(jìn)，車輛側(cè)傾（輪胎撞擊護(hù)欄一側(cè)高，另一側(cè)低）程度劇增，其往路面?zhèn)确▋?nèi)翻）的機(jī)會(huì)越大。

基于此，美國聯(lián)邦高速公路總署（Federal Highway Administration，F(xiàn)HWA）又主導(dǎo)進(jìn)行原新澤西混凝土護(hù)欄斷面研究改良，將上、下兩傾斜面轉(zhuǎn)折點(diǎn)離護(hù)欄底部垂直面頂點(diǎn)距離由25.5cm與18cm等尺寸，制造編號(hào)A至F的各式預(yù)制混凝土護(hù)欄，然后進(jìn)行一系列實(shí)車撞擊試驗(yàn)，最后確定編號(hào)F的效果最佳，因此公路工程界稱為“F型混凝土護(hù)欄”，簡稱F型護(hù)欄（F-shape Concrete Barrier），圖3為我國交通行業(yè)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG /T D81-2017）“F型混凝土護(hù)欄”和“加強(qiáng)型混凝土護(hù)欄”標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖。

經(jīng)FHWA及相關(guān)研究單位實(shí)車撞擊試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，F(xiàn)型護(hù)欄耐撞擊性能以及吸收能量效果比傳統(tǒng)新澤西混凝土護(hù)欄更佳，同時(shí)也可更有效降低小汽車沖撞護(hù)欄時(shí)的翻覆機(jī)率，主要原因在于F型混凝土護(hù)欄下傾斜面高度采用18cm?，F(xiàn)今我國新建道路都以F型混凝土護(hù)欄取代較早期的混凝土防撞墻。

2.單坡型混凝土護(hù)欄（單斜率型混凝土護(hù)欄）

傳統(tǒng)新澤西混凝土護(hù)欄與后續(xù)研究改良F型混凝土護(hù)欄都有三個(gè)斜率的表面，即高度7.5cm底部垂直面與傾斜角55°、84°斜面。當(dāng)?shù)缆窞r青鋪面刨除重鋪后，底部垂直面高度可能改變，改變量如果太大可能會(huì)破壞原護(hù)欄迎撞面撞擊吸能效果和對應(yīng)的緩沖機(jī)制。因此有些道路主管機(jī)關(guān)索性將多斜率表面改為單斜率型混凝土護(hù)欄，圖4為典型例，此斷面由美國德克薩斯州運(yùn)輸局（Texas Department of Transportation，TX DOT）開發(fā)定案。

單坡型混凝土護(hù)欄與F型混凝土護(hù)欄一樣都具有優(yōu)異的耐撞功能與吸收車輛撞擊動(dòng)能功效，且單坡型混凝土護(hù)欄表面斜率不會(huì)因?yàn)r青路面刨除重鋪而有所改變，因此單坡型混凝土護(hù)欄在新建道路工程中也極獲青睞。此外，隨著近些年來車輛動(dòng)力性能不斷提升與外輪廓尺寸越來越大，為進(jìn)一步保證車輛撞擊后的安全性，所以將單斜率型混凝土護(hù)欄的高度提高至107 cm，這高度是根據(jù)一連串實(shí)車撞擊試驗(yàn)確定，比傳統(tǒng)新澤西混凝土護(hù)欄高約25cm，該尺寸美國聯(lián)邦高速公路總署（Federal Highway Administration，F(xiàn)HWA）的相關(guān)要求，應(yīng)及公路建設(shè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以及車輛外輪廓尺寸等差異，我國現(xiàn)行規(guī)范要求的單坡型混凝土護(hù)欄尺寸如圖5。

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