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山东防撞护栏板路侧护栏端头有哪些处理方法?

2020-09-30

山东防撞护栏板路侧护栏端头有哪些处理方法?


推进道路安全隐患排查治理,完善交通安全基础设施,全面提升道路交通管理水平,是公安交管部门切实维护广大人民群众生命安全、做好道路交通事故预防“减量控大”工作的重要措施之一。常见的波形梁钢板路侧护栏端头如果不加适当处理也会造成危险,那该如何对其进行处理,有哪些需要注意的地方呢?


一、波形梁护栏端头处理不当易形成安全隐患


波形梁钢板路侧护栏本身即为路侧危险障碍物,必须进行端头处理(EndTerminalTreatment),原因如下:


▼车辆撞击路侧波形梁护栏上游端的端头时,护栏钢板极易对该车辆造成穿刺现象(VehiclePenetration),全球的例子不可胜数。图1a和图1b都是典型的案例,钢板横梁穿刺车身,进入舱间,对车内乘员造成致命性伤害。

山东防撞护栏板

图1:防撞护栏板横梁穿刺车辆的例子


▼防撞护栏板端头处如果太刚硬,当车辆正面或小角度撞击端头时,即便产生车辆被钢板横梁穿刺的现象,也极可能因车速剧减,造成车辆瞬间不稳定及反弹(Rebound)现象,严重的可能反弹或抛飞至邻近或对向车道,造成二次伤害。凡是车辆在高速行进过程中产生的瞬间车速骤减现象对车内乘员必定造成严重伤害。


二、常见的四种护栏端头处理方法


从全球防撞护栏板建设工程来看,常见的防撞护栏板系统的端头有下弯锚碇式、外展埋置式、外展式及吸能式四种处理方式。


1、下弯锚碇式端头


早期常见的防撞护栏板端头处理方法是将端头某长度的钢板横梁弯曲,然后将其螺栓接合而锚碇于深埋路基中的混凝土基座(见图2)。


图2:典型的防撞护栏板端头下弯锚碇处理


图3为我国台湾地区《交通工程规范》中所示的防撞护栏板端头下弯锚碇处理方式,全长8.2m,由支柱开始,逐渐将钢板横梁旋转90°使平顺弯曲至端点后,锚碇埋设于路床之中。


图3:防撞护栏板端头下弯锚碇


道路工程规划设计者应深入了解,防撞护栏板端头下弯锚碇处理方式已有极久的历史,基本思维是车辆撞击此端头时,无横梁穿刺车辆的疑虑。然其后遗症是车辆在高速撞击时会沿着护栏表面爬升,衍生其他事故,例如翻覆、翻滚。基于此,此种方法已不获青睐,有些道路主管机关甚至明文规定,严格禁用此方法作为端头处理方式。而对于既有下弯锚碇处理的防撞护栏板端头,如果无法改建,则不可忽略基本的警告设施,例如具反光功能的标志(见图4)。


图4:下弯锚碇式端头前设置反光标志


2、外展埋置式端头


在路堑段或路外地形比路面高凸处,防撞护栏板端头可外展,同时将端头深埋土方之中,如遇坚硬岩壁也可考虑开凿洞穴将端头插入其中(见图5)。


图5:防撞护栏板外展埋置式端头


3、外展式端头


防撞护栏板端头外展式处理指将护栏上游端的端头往路侧方向向外展开,使其更远离路面边线(见图6)。其中图6a的做法由图3衍生而来,端头处支柱起逐渐将钢板旋转,使其平顺弯曲并外展至端点后,埋设于路床,即道路工程界通称的“外展地锚式”。外展地锚式端头处理与前述下弯锚碇式雷同,均有明显缺失,端头处如一道斜坡,车辆冲撞后易有爬升之势,车速快的情况车辆易飞抛空中。因此,其旁侧也应辅以合宜的警告及反光设施。图6b和6c则是除了端头外展之外,同时在端头处辅以圆头状吸能设施,即道路工程界通称的“外展圆头式”。


图6:典型防撞护栏板端头外展式处理


对于防撞护栏板端头外展式处理,当展开率(FlareRate)b:a越大(见图7),车辆撞击角度也越大,事故严重程度越高,此现象对刚性、半刚性护栏尤其明显。此外,由于防撞护栏板端头外展的原因,车辆冲撞后也可能被弹回行车道甚至对向车道,进而造成更严重的二次伤害,此现象在双向双车道的地区性道路尤为明显。


图7:护栏端头展开率的定义


表1为美国guojia公路与运输协会(AASHTO)的《路侧设计指南》(RDG)针对护栏端头展开率的建议,由此表可看出以下两点:设计速度越高,展开率应越小;在相同设计速度的前提下,混凝土护栏展开率应小于防撞护栏板展开率。


表1:路侧护栏展开率(1mph=1.6km/h)


图8a和8b为我国台湾地区《交通工程规范》中针对防撞护栏板端头展开式处理的建议,其优劣可能见仁见智。


图8:防撞护栏板端头展开式处理


防撞护栏板端头展开式处理方法可一定程度降低车辆被护栏穿刺的风险,但工程实务上,常会面临土地空间或其他条件的限制,以致无法采取端头展开的处理方法。


4、吸能式端头


防撞护栏板的吸能式端头设施于近二十年迅速发展,与往昔相比较,技术含量明显提升很多,其对避免或降低撞击护栏端头事故严重性具有实质帮助,这是道路交通工程界的共识。但吸能式端头,不论造价还是后续养护维修费用均比前述的传统式端头处理高。


图9是车辆撞击防撞护栏板端头的各种可能位置,包括正撞(T1)、偏撞(T2)、角撞(T3)、侧撞(T4)及反向碰撞(T5)等。车辆撞击端头位置不同,代表可能造成的事故严重性有差异。各种撞击位置中,T1、T2、T3衍生的事故严重性与端头处吸能机制好坏有关,吸能效果好的,当发生T1、T2、T3撞击情况时,事故伤害应可减至低;撞击为T4位置时,此端头长度范围内应具备如同标准段的拦阻与导正车辆功能。


图9:车辆撞击护栏端头的各种可能位置


下面介绍一下设置吸能式端头需要注意的要点。


(1)外展式比未外展式端头更符合路侧安全设计理念


具有吸能机制(MechanismofEnergyAbsorption)的防撞护栏板端头,于端头整个长度范围内,布设方式可分为未外展式和外展式两大类。


未外展式端头(Non-FlaredEndTerminal)指护栏端头仅为沿道路平面线形护栏标准段设计长度的延伸段,未向外展开(见图10a);外展式端头(FlaredEndTerminal)则是端头部分根据空间允许条件而向路侧展开(见图10b)。


图10:未外展吸能式端头和外展吸能式端头


一般而言,外展式端头比未外展式端头更符合路侧安全设计的理念,因为在所有条件均相同的前提下,外展式端头被车辆撞击的可能性明显比未外展式端头低,不过需要注意,具有吸能机制的端头是否可外展布设与端头旁路侧空间是否受限制直接相关。


(2)根据实际情况选择端头吸能机制的运作方式


防撞护栏板端头处,针对安全性的设计考虑重点包括吸能机制的运作方式和方向导正性(简称导向性,Redirective)。防撞护栏板端头处的吸能机制指端头承受正撞(T1)、偏撞(T2)、角撞(T3)时,护栏端头如何利用能量转换原理达到吸收车辆撞击能的目的。护栏端头实际吸收车辆撞击能的比例越高,代表车辆本身必须吸收的能量越小,则车辆与乘员受伤害程度越小。端头导向性则是指当发生侧撞(T4)情况时,其导向功能是否与护栏标准段相同。


道路交通工程实务上,防撞护栏板端头吸能机制的运作方式可分为可进入门户系统(GatingSystem)和不可进入门户系统(Non-GatingSystem)两大类。英文中“Gate”原意是可进入的门户,防撞护栏板端头即有“门户”之意,因此Gating指此护栏端头可为撞击车辆的门户,不进入好,进入影响也不大。可进入门户护栏(GatingEndTerminal)可因车辆撞击而本身钢板横梁弯折、立柱弯曲,甚至将撞击车辆完整包覆住,间接达到吸收车辆撞击能的目的,车辆则因速度合理减小而可停止在护栏端头长度范围内或其邻近位置(见图11)。


图11:典型的可进入门户护栏端头


护栏端头旁的路侧如无车辆可停车的空间,此时应选用不可进入门户护栏端头(Non-gatingEndTerminal),车辆一旦正撞或小角度撞击端头,端头部分的吸能机制可直接吸收车辆的撞击能,促使车辆完全停下,不会“侵入”此端头结构中(见图12)。


图12:典型的不可进入门户护栏端头


图13为这两种吸能机制与导向功能共同考虑时的分类。具导向性的防撞护栏板端头可采用可进入门户或不可进入门户系统;如不具备导向功能的,则仅能选用可进入门户系统。



图13:防撞护栏板吸能式端头的分类体系


(3)吸能式防撞护栏板端头吸能效果与三个关键点有关


用于防撞护栏板系统端头的吸能式产品有多种,大差别在于消能方式(MethodofDissipatingEnergy)不同。其中消能指消散或吸收车辆撞击能(ImpactEnergy),车辆撞击能的主要来源是车辆(含乘员)质量及其撞击速度。


车辆及护栏端头均是可变形体(DeformableBody),且车辆撞击后会往前冲撞形成一道轨迹,一旦发生车辆撞击防撞护栏板事故时,车体本身损伤、破坏,防撞护栏板以及车身摩擦地面等一些其他不可控变异数均可吸收部分撞击能,而其中如果防撞护栏板吸收车辆撞击能的效果越佳,对车辆(含乘员)的危害越小。攸关吸能式防撞护栏板端头吸能效果好坏的关键在于以下几点。


▼端头部分的立柱弯曲、变形、弯折。凡吸能式端头处的立柱通常为可吸附撞击能、遇撞而弯折的型式(BreakawayType),尤其是可进入门户系统的立柱都是如此。图14所示槽沟吸能式端头(SRT,SlottedRailTerminal)为典型的例子,此为不具导向性可进入门户系统(Non-redirective,GatingEndTerminal)。当车辆撞击(T1、T2、T3)此护栏端头时,根立柱会弯折,原受力斜拉钢索立即松弛,因此,端头处横梁的抗拉强度便可瞬间释放。


图14:槽沟吸能式端头


▼端头处钢板横梁遇车辆撞击时,因挫屈而向路外弯折,车辆继续往前撞击数根可弯折的吸能式立柱,后可能停止在护栏端头长度范围内或其邻近区域。


▼车辆撞击护栏端头处的撞击板(ImpactPlate),其后方为经由特殊设计的挤拉室(ExtrudeChamber)。撞击板的主要目的在于大面积承受车辆正面或小角度撞击,同时避免车辆被穿刺(见图15)。


图15:典型的撞击板


图16为钢板横梁被挤压拉伸而向路侧外展开的示意图,原为“W”型断面的钢板横梁经由挤拉室被挤压拉伸成扁平状,此为吸收撞击能的有效方法。


图16:端头处车辆撞击,钢板横梁被挤压拉伸示意(图片来自FHWA)


上述利用特殊设计的挤拉室挤压拉伸迫使防撞护栏板横断面变形只是消散车辆撞击能诸多方法之一。图17为利用特殊设计的端头,车辆一旦撞击护栏端头,波形梁钢板横梁将由挤拉室挤压,然后随着撞击板往前移动,被挤压变成扁平状的横梁再往前方下钻至车辆下方。但此种吸能式护栏端头在工程实例中较不获青睐,主要原因在于当车辆斜向撞击端头前方高凸于地面的金属基座时,可能造成车辆弹跳,致使车辆轨迹难以掌控,甚至根本不会端头处的冲击板,失去吸能式端头原本的设计功能。


图17:波形梁钢板横梁挤压下钻式端头(FHWA)


道路工程建设中,防撞护栏板吸能式端头的产品极多,但基本设计原理类似,都是借助前述三项消能来源,即考虑立柱、横梁与端头处的特殊设计来达到吸收车辆撞击能的效果。其中被挤压而呈扁平状的钢板横梁必须保证往护栏外侧展开,以避免无谓的二次伤害。此外,吸能式端头与防撞护栏板标准段相同,也应经过一系列实车撞击试验(FSCT),得到道路主管机关认可的耐撞等级证明,例如TL-2、TL-3等,才可用于道路工程实务设计中。


(4)护栏端头前端的外置式吸能设施


前述的防撞护栏板端头吸能机制完全在端头长度范围内完成,但很多情况下,例如主线、匝道出口处,不可能布设吸能式护栏端头,故吸能机制无法发挥,因此,只能在护栏端头前端另行布设“外置式”吸能设施,常见的是具吸能作用的碰撞防护设施(碰撞缓冲设施,ImpactAttenuator)或防撞垫(CrashCushion)。与防撞护栏板吸能式端头类似,护栏前端的“外置式”吸能设施也可分为“可进入门户”与“不可进入门户”两大系统。


图18a为可进入门户不具导向功能护栏前端吸能设施,车辆可能因撞击而陷入装填细砂的桶状物长度范围内某一深度中,并因此停止。为避免桶状物被撞击后四处飞散,甚至衍生二次伤害,桶状物应利用细钢索圈绕固定。图18b为可进入门户具导向功能的护栏前端吸能设施。当车辆撞击吸能设施前端时,吸能桶可依序变形缓冲车辆撞击能;当车辆撞击吸能设施侧面时,吸能桶旁侧可发挥导正车辆行车方向的功能。


图18:典型的可进入门户不具导向功能和具导向功能护栏前端吸能设施


图19为典型的不可进入门户具导向功能护栏前端吸能设施,桶状排列物不会被车辆侵入,但具有导正撞击车辆的功能。


图19:典型的不可进入门户具导向功能护栏前端吸能设施


上述桶装排列都有其既定安装规范与特殊材质要求,且须通过一系列实车撞击试验,才可用在道路设计中。例如图18b与图19所示都是符合美国联邦高速公路总署认证标准,允许使用的MASHTL-3吸能设施。


在高、快速公路的三角区(尖角区,GoreArea),主线及匝道出口紧邻区域,防撞护栏板通常连续布设,吸能式护栏端头无法安置,此处可考虑布设“外置式”碰撞防护设施。但需要注意,三角区同时也是车辆在紧急情况下可利用的回复区(RecoveryArea),碰撞防护设施的安装绝不可妨碍区正常功能(见图20)。


图20:碰撞防护设施与W型钢板护栏共构的典型例(FHWA)


外置式撞击吸能设施要达到真正吸能缓冲的目的,有两点不可忽视:正撞、小角度偏撞时,吸能设施可变形内缩;车辆侧向撞击防护设施时,该防护设施也应具备导向功能,且设施后端的宽度须大于或等于固定障碍物。


图21为典型的错误例,由于防护设施后端宽度不足,撞击车辆侧撞而导向的过程中将直接固定障碍物,其结果有如车辆直接正面撞击固定障碍物。


图21:碰撞防护设施后端宽度不足


图22为另一错误例,装设撞击吸能设施后,导致停止线(StopLine)反而必须更后退,停止线与人行横道距离太远。


图22:碰撞防护设施导致停止线后退


本文提到的“外置式”撞击吸能设施可同时适用于防撞护栏板与混凝土护栏的端点处,但是布设准则与合适设施的选择应因地制宜。


参考文献


[1]交通工程规范,台湾“交通部”,2015年1月9日颁布.


[2]RoadsideDesignGuide,AASHTO,1989,1996,2002,2011.


[3]TrinityIndustries,USA.


[4]ConnecticutDepartmentofTransportation,DivisionofResearch.


[5]RoadSystems,Inc.,Texas,USA.

(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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