混凝土護欄的主要型式、設計原理以及影響阻攔功能的因素

徐耀賜

道路工程中使用的混凝土護欄種類眾多，依設計速率、設計車輛、道路等級、幾何線形等各條件而異。在各式混凝土護欄中，最負盛名的是紐澤西混凝土護欄（New Jersey Concrete Barrier，New JerseySafety Shape Concnete Barrier，簡稱Jersey Barrier，NJ Barrier）及其后來衍生的其他較新型式混凝土護欄。時至今日，在各式混凝土護欄中，紐澤西混凝土護欄及其后續衍生的改良式護欄（尺寸稍有不同，安全設計理念相同）是全球各式混凝土道路護欄使用量最大的，對道路交通安全貢獻極為卓著。

一、紐澤西混凝土護欄

（一）研發背景源于高發的道路交通事故

紐澤西混凝土護欄于1950年由位于美國紐澤西州的史帝文生理工學院（Stevens Institute of Technology）最早開發，經一連串理論分析、實車撞擊測試與安全驗證，最終正式尺寸于1959年經由美國聯邦政府運輸部（US Department of Transponation，US DOT）認可確立。

第二次世界大戰結束后，美國境內高速公路建設如火如荼，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，付出極大社會成本?；诖耍绹畬Ω咚俟奋囕v肇事問題的研究經年不斷，其中，為避免高速公路相鄰對向車道車輛正向對撞，研究在中央分向帶較窄無法進行植栽的地區，設置雙傾斜面混凝土護欄，以達到避免或減輕車流對撞事故的效果。經研究及實地設置在公路的比較資料顯示，效果極為良好。美國聯邦高速公路總署（Federal Highway Administration，FHWA）由五十個州的應用與試驗得到以下結論：“由試驗與經驗顯示，雙傾斜面混凝土護欄的性能明顯優于其他型式護欄”。

紐澤西州是美國最先使用此種混凝土護欄的，因此工程界以紐澤西混凝土護欄通稱，圖1為其橫斷面示意圖。該州曾在1949年以車禍統計方式統計其使用成效，在某一交通量每天高達60000～70000的公路上，未裝設該護欄之前三年內有11人死于對撞車禍;裝設后，再無對撞事故死亡事件發生?？梢姶朔N混凝土護欄完全隔離區分對向車流的效果極佳，可有效避免相鄰對向車流產生對撞事故。

美國加州（California）是美國最先采用混凝土護欄之一州（1946年），但當時僅是單純考量以堅硬耐撞的混凝土連續塊狀結構取代早期木制護欄。當紐澤西混凝土護欄知名度大增，攔阻與導正車輛功效倍受肯定后，該州于1957年也開始針對紐澤西混凝土護欄進行一連串試驗，并得出結論：此種護欄為相當理想的狹窄型分向島，能有效改變碰撞車輛的前進方向，車輛爬升后會因為重力關系下滑至路面而不致受損或受損極小，僅在護欄側留下輪胎擦痕，而護欄本身不受損。此種護欄比以往使用的金屬護欄可節省相當可觀的養護費用，混凝土護欄不易因車輛撞擊而破壞毀損，但金屬護欄易被撞凹損且易銹蝕（例如未熱浸鍍鋅處理的），修復成本高。

（二）力學考量重點在于充分利用能量轉換原理

紐澤西混凝土護欄的設計內涵在于充分利用能量轉換原理（Energy Transformation Theory），即將高速行進車輛造成的沖擊能量（Impact Energy）經由護欄傾斜面轉換為位能（Potential Energy），進而有效降低事故嚴重性，車輛外殼板金可能有毀損，但是車內乘員承受的沖擊力將大為減低。

整體而言，紐澤西混凝土護欄的特殊功能可歸納如下：

體積、結構強度與重量都非常大的混凝土護欄可有效在極短時間內承受車輛撞擊能量，而護欄本身不至于破裂毀損。

混凝土護欄面向行車道的兩個傾斜面（即迎撞面）可快速逼使撞擊車輛速度下降，能正面助益降低事故嚴重性。

在某撞擊角度內前提下，發生撞擊車輛產生的沖擊能量能被有效轉換成位能。車輛雖因高速沖擊護欄而沿傾斜面爬升，但是車輛也因本身重力的原因，可由護欄傾斜面下滑至路面，車輛還有較大機會可安全返回原來行車路徑，即此種護欄具有導向功能。

圖2為車輛撞擊紐澤西混凝土護欄時，輪胎爬升致摩擦護欄傾斜面而造成痕跡的實例。沖擊時車速越快，爬升高度越高。

紐澤西混凝土護欄底部3英寸（7.5cm）垂直面主要目的在于提供護欄與路面間的清晰界面，同時兼具吸收鋪面刨除重鋪時的空間與收集路面橫向排水的功能。車輛撞擊7.5cm高垂直面的效應如同車輛撞擊7.5cm高垂直式緣石。此3英寸垂直面在車輛沖撞時也可吸收小部分沖擊能量，例如車速快，沖擊角度大，由于沖擊能量較大，車輪在撞擊垂直面后極可能沿著下傾斜面往上爬升，但是因為車輛重量，車輛最終須沿著傾斜面下滑至路面。當然，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，因此車輪繼續爬升的機會微乎其微，車輛終將因重力而下滑至路面，這是紐澤西混凝土護欄可完全阻止車流跨越至對向車道而發生與其他車輛對撞的理論依據。

臺灣地區采用的紐澤西混凝土護欄在底部垂直面處通常為3″～4″（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對紐澤西混凝土護欄耐撞、原始車輛撞擊能量轉換為位能的功能應無影響或僅些微影響。

某些情況下，為了達到行車道路面橫向排水功能，可每隔一段距離施作一開孔，例如位于曲線彎道的內側（曲率半徑較小者）。但是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欄底部垂直面同高，以免妨礙甚至破壞紐澤西混凝土護欄的正常功能（見圖3）。

二、衍生的其他型式護欄

（一）F型混凝土護欄

紐澤西混凝土護欄研發采用的原始尺寸參考GM Type Barrier而來（圖4（a）GM是美國通用汽車General M0tor的簡稱），下傾斜面由原來13英寸（33cm）減至最終定案10英寸（25cm）。

紐澤西混凝土護欄最重要設計參數是底部7.5cm垂直面及上、下兩傾斜面（下層傾斜角度為55°，高度10英寸，即2S.5cm;上層傾斜角度為84°，高度19英寸，即48cm）轉折點與護欄底部垂直面頂點的距離。當車輛以某一沖擊角度側向高速撞擊紐澤西混凝土護欄后，車輛前輪會急速接觸護欄垂直面，然后緊貼下傾斜面快速爬升，當爬升高度越高，隨著小汽車高速繼續前進，車輛側傾（輪胎撞擊護欄一側高，另一側低）程度劇增，其往路面側翻（內翻）的機會越大。

基于此，美國聯邦高速公路總署（Federal Highway Administration，FHWA）又主導進行原紐澤西混凝土護欄斷面研究改良，將上、下兩傾斜面轉折點離護欄底部垂直面頂點距離由10″（25.5cm）與7″（18cm）等尺寸，制造編號A至F的各式預鑄混凝土護欄，然后進行一系列實車撞擊試驗，最后確定編號F的效果最佳，因此工程界稱為“F型混凝土護欄”，簡稱F型護欄（F-shape Concrete Barrier），圖4c為其橫斷面。

經FHwA及相關研究單位實車撞擊試驗結果證實，F型護欄耐撞或吸能效果比傳統紐澤西混凝土護欄更佳，同時也可更有效降低車輛沖撞護欄時的翻覆機率，主要原因在于F型混凝土護欄下傾斜面高度只有7英寸（18cm）?，F今新辟道路都以F型混凝土護欄取代較早期的紐澤西混凝土護欄，隨著F型混凝土護欄問世，紐澤西混凝土護欄已正式步入歷史。有些道路主管部門甚至通令今后不準再使用紐澤西混凝土護欄，例如我國交通運輸部及美國大部分州政府。

（二）單斜率型混凝土護欄

傳統紐澤西混凝土護欄與后續研究改良F型混凝土護欄都有三個斜率的表面，即高度7.5cm底部垂直面與傾斜角55°、84°斜面。當道路瀝青鋪面刨除重鋪后，底部垂直面高度可能改變，改變量如太大可能破壞原護欄迎撞面撞擊吸能、緩沖機制。因此有些道路主管部門（例如美國德州、澳洲）索性將多斜率表面改為單斜率型混凝土護欄，圖5b為典型例，此斷面由美國德州運輸局（Texas Department of Transportation，TX DOT）開發定案。

單表面斜率混凝土護欄與F型混凝土護欄一樣都具有優異的耐撞功能與吸收車輛撞擊動能功效，且單斜率護欄表面斜率不會因瀝青路面刨除重鋪而有所改變，因此單斜率型混凝土護欄在新設道路工程中也極獲青睞。此外，隨著車輛動力與尺寸越來越大，為進一步保證車輛不至于跨越，單斜率型混凝土護欄的高度提高至42英寸（107cm）。這個高度是根據一連串實車撞擊試驗確定，比傳統紐澤西混凝土護欄高約10英寸（25cm）左右。

（三）混凝土、鋼管組合式護欄

混凝土、鋼管組合式路側護欄指護欄下方為鋼筋混凝土基座，上方是鋼管（可能圓形或矩形鋼管），圖6是圓鋼管組合式護欄典型例。

鋼管護欄下方混凝土基座應具有連續性，即使為了路面橫向排水效率，其開口也應僅局限于基座下方，不得破壞混凝土基座連續性，圖7為典型錯誤例。完全斷開的混凝土基座對路面橫向排水效率可能有助益，但卻極易造成車輛輪胎的“絆阻效應”（Tire Snagging），即駛離行車道的車輛一旦撞擊此開口，輪胎易塞進此開口中，致使車輛瞬間減速度太大，易造成車輛瞬間彈跳、側翻，衍生嚴重道路交通事故。

圖8也是極為錯誤的例子，凡是采用鋼管護欄時，鋼管表面必須比混凝土基座更靠近路面，因為當車輛撞擊此種護欄時，鋼管表面為迎撞面，可提供摩擦、攔阻車輛的功能;此外，基座全縱深開口也可能造成“絆阻效應”。

三、混凝土護欄攔阻功能的發揮受坡面與高度綜合影響

任何型式的混凝土護欄迎撞面受車輛撞擊時能否發揮預期攔阻功能，主要取決于三大重點，即“三度”：

單位長度混凝土護欄的“勁度”，或稱“結構強度”。

混凝土護欄面對行車方向迎撞面的坡度。此坡度可能是單一坡度或多重坡度，不同護欄存在差異，通稱為“坡面”。

混凝土護欄高度。高度不足，車輛撞擊護欄時，跨騎（Overriding）與往護欄外翻覆（外翻）的機會大增。

（一）護欄結構強度

混凝土護欄結構強度最基本要求是當車輛撞擊護欄時，混凝土護欄本身不得破裂、毀損，更不得崩解。具體來說，車輛絕不可因撞擊而穿刺、穿透或毀損混凝土護欄。

為保證混凝土護欄能夠承受車輛撞擊，工程實務上都以“降伏線破壞分析”（Yield Line Failure Analysis）理論作為基礎，保證混凝土護欄極限強度（Ultimate Strength）可承受車輛側向沖擊力（Lateral Impact Forces），此理論在混凝土結構力學分析中已被證實可行且已廣泛應用于各式混凝土護欄的撞擊能力分析中，例如美國《公路橋梁設計規范》（AASHTO）中橋梁混凝土護欄設計都是依托于此理論。

除了混凝土本身具備合格抗壓強度外，混凝土護欄結構中一定有數量足夠且抗拉強度、握裹強度（Bonding Strength）都符合規范要求的竹節鋼筋，加上降伏線破壞分析理論已極成熟，因此道路工程實務中，除非情況特殊，混凝土護欄受車輛撞擊時，護欄表面可能有些微刮痕或微小坑洞，全盤性破壞崩解致使車輛全然穿透護欄幾乎不可能發生。圖9是不合理橋梁混凝土護欄損壞模式，縱橫雙向鋼筋的布設明顯不足。

（二）護欄坡面

圖10為四種不同坡面的混凝土護欄，圖10（a）是道路工程界最早期采用的直壁式混凝土護欄，迎撞面與路面垂直。在結構強度與高度良好的前提下，這種護欄對車輛的攔阻能力最強。同時因迎撞面垂直的原因，在車輛撞擊條件（車重、車型、撞擊角……）都相同的前提下，車輛與此種護欄迎撞面接觸時間最短，但此種護欄撞擊歷程（Impact Duration，由撞擊開始至車輛完全停止的過程）太短，無法提供吸能、緩沖機制，車輛撞擊時減速度較大，例如車速瞬間由100km/h劇降至10km/h，甚至瞬間停止。減速度越大，對車內駕乘人員傷害越大，因此高、快速公路絕不可設置直壁式混凝土護欄。

與直壁式混凝土護欄比較，斜坡面混凝土護欄可延長撞擊歷程時間，車輛輪胎沿斜坡面爬上，而后因車輛本身重力下滑至路面，消耗車輛的沖擊能（Impact Energy，Vehicle Kinematics），斜坡面混凝土護欄具有明顯的緩沖、吸能效果?；炷磷o欄斜坡值背后有其實質意義，這些坡度是經過一系列理論分析與實車撞擊試驗得知的結果，因此其吸能、緩沖效果毋庸置疑。

（三）護欄高度

傳統紐澤西混凝土護欄、F型混凝土護欄原始高度都為82cm（32英寸），但在迎撞面不改變的前提下，護欄底座寬度與護欄高度可根據設計所需調整，其高度可與單斜率型混凝土護欄高度一致，即將原82cm（32英寸）調高至107cm（42英寸）。

圖11是當車輛以高速撞擊混凝土護欄迎撞面時，可能發生的車輛運動狀態（通稱Vehicle responses），為三度空間動態：彈跳（Heave），針對車輛行進方向上方垂直向，易造成車輛搖擺（Yaw）現象，車速越快，車頭彈跳越高，車輛搖擺程度越復雜。波動（Surge），車輛撞擊后在行進方向的不穩定行為，可能導致車輛左右兩側有明顯高低差，甚至快速翻轉（Roll）。側移（Sway），由車輛撞擊護欄造成的側向反彈力所導致，可能導致車輛騰空而被拋飛（Pitch）。

當車輛撞擊護欄發生彈跳現象時，速度越快，沖擊能量越高，彈跳高度也越高，此時若護欄高度不足，則車輛可能騎跨護欄上，甚至翻覆于護欄外。

混凝土護欄立面不可太低，因其可能無法發揮攔阻車輛的功能，但也不宜過高，徒增工程費用，甚至有礙景觀美感與妨礙視距。一般來說，結合設計功能所需與考量設計車輛及護欄防撞等級，合適的混凝土護欄高度通?？蓞⒖加泄帕Φ脑O計規范來決定。

需要注意，前述車輛撞擊護欄后的運動狀態僅針對車輛撞擊混凝土護欄面對行車道的迎撞面而言。

四、剛性護欄特性及適用性

從護欄單位長度的結構勁度而言，前述紐澤西混凝土護欄、F型混凝土護欄及單斜率型混凝土護欄都屬于剛性護欄（Rigid Barrier）。

（一）剛性護欄優缺點

剛性護欄具有特定的斷面形式，單位長度重量大，受車輛撞擊時不至于發生明顯變形，最常見為混凝土制，如前述各種連續墻式結構的鋼筋混凝土護欄，適合于場鑄（Cast-in-Place）、預鑄（Precast）吊裝與現場扣件（例如Pin and Loop）相互連接。主要存在以下優缺點：

優點：剛性護欄對防止車輛駛出路外、防止對向車流產生正面對撞（Head-on Crash）的效果極佳，且因受車輛撞擊后的變形微乎其微，如有受損僅止于表面擦傷（Cosmetic Damage），長期而言，其養護維修費用極低，符合生命周期成本最小化的理念。

缺點：當車輛與剛性護欄撞擊角度越大，車輛瞬間速度劇減量越大，例如25。以上，則其對車輛與乘客的傷害越嚴重。此外，連續墻式剛性混凝土結構可能造成路面橫向排水功能不佳，且視線通透性較差，對道路整體景觀較易有負面影響，對長途駕駛人的心理壓迫感較大。

（二）剛性護欄適用性

剛性混凝土護欄適用于雙向車流量都較大的路段，例如：高速、快速公路的中央分向帶或分向島;也適用于山區道路幾何線形復雜路段外側，或路側為懸崖深溝等車輛駛出易有嚴重事故路段，不過山區道路雨量較大，山區道路的排水功能不得因設置剛性混凝土護欄而受影響。

剛性混凝土護欄景觀性與環境協調性較差，強調景觀功能與環境和諧的道路應謹慎采用。此外，剛性混凝土護欄易阻礙積雪清除，易下雪地區宜避免采用。

不論是早期研發的紐澤西混凝土護欄，還是較晚新研發的F型混凝土護欄或單斜率型混凝土護欄，其原始開發適用對象都是針對四輪或以上機動車，因此其對僅有前后雙輪的摩托車防護效果較為有限，尤其對快速沖撞護欄的摩托車并無實質攔阻功用。其主要原因是摩托車撞擊混凝土護欄時，摩托車雖可被攔下，但因車速驟減，駕駛人極易被彈飛，造成致命性傷害。此外，自行車也是，不過自行車速度較低，造成的傷害也相對輕微。