公路新澤西護欄的設計原理及技術特點

于少磊

摘要：新澤西混凝土護欄的設計核心內容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，車輛外殼金屬可能有毀損，但是車內乘員承受的沖擊力將大為減低。

關鍵詞：公路護欄、撞擊試驗、沖擊能量、安全性

0引言

在各式混凝土護欄中，最負盛名的是新澤西混凝土護欄及其后來衍生的其他較新型式混凝土護欄，混凝土護欄對道路交通安全貢獻極為卓著。新澤西混凝土護欄的設計核心在于充分利用能量轉換的原理，將高速行進車輛造成的沖擊能量經由護欄傾斜面轉換為位能，有效降低事故嚴重性。我國公路行業現行規范中使用的F型混凝土護欄以及加強型混凝土護欄的耐撞性能以及吸能效果比傳統新澤西混凝土護欄效能更佳，也可更加有效降低小汽車沖撞護欄時的翻覆機率。

在道路工程中使用的混凝土護欄種類眾多，按照車輛行駛的設計速度、設計車輛的外形尺寸、道路服務等級、路線幾何線形等各類條件而異。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 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欄。時至今日，在各式混凝土護欄中，新澤西混凝土護欄（NJ Barrier）及其后續衍生的改良式護欄（尺寸稍有不同，安全設計理念一致）可以說是全世界各種道路混凝土護欄的設計原型，對道路交通安全貢獻極為卓著。

1研發背景源于高發的道路交通事故

新澤西混凝土護欄于1950年由位于美國紐澤西州的史蒂文森理工學院（Stevens Institute of Technology）最早開發，經過一系列的理論分析、實車撞擊測試與安全驗證，最終在1959年經由美國聯邦政府運輸部（US Department of Transportation，US DOT）認可確立正式尺寸。

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。基于此，美國政府對高速公路車輛肇事問題的研究經年不斷。

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。

最終在美國聯邦高速公路總署（Federal Highway Administration，FHWA）在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” ”。

新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為典型雙面防護式紐澤西混凝土護欄橫斷面示意圖）。新澤西州曾在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;改型護欄安裝后，再無對撞事故死亡事件發生。可見新澤西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。

美國加利福尼亞州（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。當新澤西混凝土護欄知名度大增，攔阻效果與導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欄進行一連串試驗，并得出以下結論：“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。”

2力學設計重點在于充分利用能量轉換原理

新澤西混凝土護欄的設計核心內容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，車輛外殼金屬可能有毀損，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：

1.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。

2.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，能正面有效降低事故嚴重性。

3.在某撞擊角度的前提下，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，即新澤西混凝土護欄具有導向功能。

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

新澤西混凝土護欄底部7.5cm垂直面主要目的在于提供護欄與路面間的清晰界面，同時兼具吸收路面鋪筑面層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高度垂直面的效應如同車輛撞擊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，但是因為車輛重量自重，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，這是新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。

經過對該類護欄的詳細研究日本、東南亞地區所采用的新澤西混凝土護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對新澤西混凝土護欄耐撞性、行駛車輛撞擊能量轉換為位能的功能無影響或僅有略微影響。

在通常情況下，為了達到行車道路面橫向排水功能，可每隔一段距離設計一處開孔，但位于曲線彎道的內側（曲率半徑較處）應適當加密設計。設計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欄底部垂直面同高，以免妨礙甚至破壞新澤西混凝土護欄的防護性能。

3新澤西混凝土護欄衍生的其他型式護欄

1.F型混凝土護欄

新澤西混凝土護欄研發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）。

新澤西混凝土護欄最重要設計參數是底部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）轉折點與護欄底部垂直面頂點的距離。當小汽車以某一沖擊角度側向高速撞擊新澤西混凝土護欄后，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）又主導進行原新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25.5cm與18cm等尺寸，制造編號A至F的各式預制混凝土護欄，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，因此公路工程界稱為“F型混凝土護欄”，簡稱F型護欄（F-shape Concrete Barrier），圖3為我國交通行業《公路交通安全設施設計細則》（JTG /T D81-2017）“F型混凝土護欄”和“加強型混凝土護欄”標準橫斷面圖。

經FHWA及相關研究單位實車撞擊試驗結果證實，F型護欄耐撞擊性能以及吸收能量效果比傳統新澤西混凝土護欄更佳，同時也可更有效降低小汽車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采用18cm。現今我國新建道路都以F型混凝土護欄取代較早期的混凝土防撞墻。

2.單坡型混凝土護欄（單斜率型混凝土護欄）

傳統新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，改變量如果太大可能會破壞原護欄迎撞面撞擊吸能效果和對應的緩沖機制。因此有些道路主管機關索性將多斜率表面改為單斜率型混凝土護欄，圖4為典型例，此斷面由美國德克薩斯州運輸局（Texas Department of Transportation，TX DOT）開發定案。

單坡型混凝土護欄與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，且單坡型混凝土護欄表面斜率不會因瀝青路面刨除重鋪而有所改變，因此單坡型混凝土護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力性能不斷提升與外輪廓尺寸越來越大，為進一步保證車輛撞擊后的安全性，所以將單斜率型混凝土護欄的高度提高至107 cm，這高度是根據一連串實車撞擊試驗確定，比傳統新澤西混凝土護欄高約25cm，該尺寸美國聯邦高速公路總署（Federal Highway Administration，FHWA）的相關要求，應及公路建設設計標準以及車輛外輪廓尺寸等差異，我國現行規范要求的單坡型混凝土護欄尺寸如圖5。

參考文獻

[1]《公路工程技術標準》（JTG B01-2014）.

[2]《公路交通安全設施設計規范》 （JTG D81-2017）.

[3]《公路交通安全設施設計細則》 （JTG/T D81-2017 ）.

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