于少磊

摘要：新泽西混凝土护栏的设计核心内容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，车辆外壳金属可能有毁损，但是车内乘员承受的冲击力将大为减低。

关键词：公路护栏、撞击试验、冲击能量、安全性

0引言

在各式混凝土护栏中，最负盛名的是新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，混凝土护栏对道路交通安全貢献极为卓著。新泽西混凝土护栏的设计核心在于充分利用能量转换的原理，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。我国公路行业现行规范中使用的F型混凝土护栏以及加强型混凝土护栏的耐撞性能以及吸能效果比传统新泽西混凝土护栏效能更佳，也可更加有效降低小汽车冲撞护栏时的翻覆机率。

在道路工程中使用的混凝土护栏种类众多，按照车辆行驶的设计速度、设计车辆的外形尺寸、道路服务等级、路线几何线形等各类条件而异。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，）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，新泽西混凝土护栏（NJ Barrier）及其后续衍生的改良式护栏（尺寸稍有不同，安全设计理念一致）可以说是全世界各种道路混凝土护栏的设计原型，对道路交通安全贡献极为卓著。

1研发背景源于高发的道路交通事故

新泽西混凝土护栏于1950年由位于美国纽泽西州的史蒂文森理工学院（Stevens Institute of Technology）最早开发，经过一系列的理论分析、实车撞击测试与安全验证，最终在1959年经由美国联邦政府运输部（US Department of Transportation，US DOT）认可确立正式尺寸。

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，为避免高速公路以及城市快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。

最终在美国联邦高速公路总署（Federal Highway Administration，FHWA）在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” ”。

新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为典型双面防护式纽泽西混凝土护栏横断面示意图）。新泽西州曾在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;改型护栏安装后，再无对撞事故死亡事件发生。可见新泽西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。

美国加利福尼亚州（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。当新泽西混凝土护栏知名度大增，拦阻效果与导正车辆功能倍受肯定后，该州于1957年也开始针对新泽西混凝土护栏进行一连串试验，并得出以下结论：“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力学设计重点在于充分利用能量转换原理

新泽西混凝土护栏的设计核心内容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，车辆外壳金属可能有毁损，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：

1.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。

2.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，能正面有效降低事故严重性。

3.在某撞击角度的前提下，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，即新泽西混凝土护栏具有导向功能。

车辆在撞击新泽西混凝土护栏时，车辆轮胎爬升致摩擦护栏倾斜面从而造成严重的摩擦痕迹。车辆冲击护栏时车辆行驶速度越快，车辆轮胎爬升高度越高。

新泽西混凝土护栏底部7.5cm垂直面主要目的在于提供护栏与路面间的清晰界面，同时兼具吸收路面铺筑面层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高度垂直面的效应如同车辆撞击7.5cm高垂直式路缘石。该高度垂直面在车辆冲撞时也可吸收小部分冲击能量。但是由于车速快，冲击角度大，所产生冲击能量较大，车轮在撞击垂直面后极可能沿着下倾斜面往上爬升，但是因为车辆重量自重，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，这是新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。

经过对该类护栏的详细研究日本、东南亚地区所采用的新泽西混凝土护栏在底部垂直面处通常采用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对新泽西混凝土护栏耐撞性、行驶车辆撞击能量转换为位能的功能无影响或仅有略微影响。

在通常情况下，为了达到行车道路面横向排水功能，可每隔一段距离设计一处开孔，但位于曲线弯道的内侧（曲率半径较处）应适当加密设计。设计中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，以免妨碍甚至破坏新泽西混凝土护栏的防护性能。

3新泽西混凝土护栏衍生的其他型式护栏

1.F型混凝土护栏

新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2，其中GM是美国通用汽车General Motor的简称），下倾斜面由原来33cm减至最终定案25cm）。

新泽西混凝土护栏最重要设计参数是底部7.5cm以及垂直面及上、下两倾斜面（下层倾斜角度为55°，高度25.5cm;上层倾斜角度为84°，高度49cm）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新泽西混凝土护栏后，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）又主导进行原新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25.5cm与18cm等尺寸，制造编号A至F的各式预制混凝土护栏，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，因此公路工程界称为“F型混凝土护栏”，简称F型护栏（F-shape Concrete Barrier），图3为我国交通行业《公路交通安全設施设计细则》（JTG /T D81-2017）“F型混凝土护栏”和“加强型混凝土护栏”标准横断面图。

经FHWA及相关研究单位实车撞击试验结果证实，F型护栏耐撞击性能以及吸收能量效果比传统新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采用18cm。现今我国新建道路都以F型混凝土护栏取代较早期的混凝土防撞墙。

2.单坡型混凝土护栏（单斜率型混凝土护栏）

传统新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，改变量如果太大可能会破坏原护栏迎撞面撞击吸能效果和对应的缓冲机制。因此有些道路主管机关索性将多斜率表面改为单斜率型混凝土护栏，图4为典型例，此断面由美国德克萨斯州运输局（Texas Department of Transportation，TX DOT）开发定案。

单坡型混凝土护栏与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，且单坡型混凝土护栏表面斜率不会因沥青路面刨除重铺而有所改变，因此单坡型混凝土护栏在新建道路工程中也极获青睐。此外，随着近些年来车辆动力性能不断提升与外轮廓尺寸越来越大，为进一步保证车辆撞击后的安全性，所以将单斜率型混凝土护栏的高度提高至107 cm，这高度是根据一连串实车撞击试验确定，比传统新泽西混凝土护栏高约25cm，该尺寸美国联邦高速公路总署（Federal Highway Administration，FHWA）的相关要求，应及公路建设设计标准以及车辆外轮廓尺寸等差异，我国现行规范要求的单坡型混凝土护栏尺寸如图5。

参考文献

[1]《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）.

[2]《公路交通安全设施设计规范》 （JTG D81-2017）.

[3]《公路交通安全设施设计细则》 （JTG/T D81-2017 ）.

[4]《公路护栏安全性能评价标准》（JTG 05-01-2013）.

[5]《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限制》（GB 1589-2016）

[6]《公路安全生命防护工程实施技术指南》中华人民共和国交通运输部发布.

[7]《美国高速公路运营管理手册》美国交通部联邦公路管理局著，卢毅主译，人民交通出版社.

[8]《美国交通工程设施手册 城市道路和公路（2009版）》美国交通部联邦公路局著，赵晓华，等，译，中国建筑工业出版社.