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「中交创联·交小哇」道路交通安全设施连载——护栏

发布时间:2022-06-02来源:德州安品交通标志杆厂家

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7.1 前言

某些情况下,护栏(Guardrail,Barrier)是组成道路整体结构的一部分,由于护栏的主要功能是为了避免用路人(Road Users)或车辆越过行车安全范围,减少意外事故,所以护栏也可归类为道路交通安全设施。

设置正确的护栏对用路人(Road Users)来说是护身符,有明显降低事故严重性的正面效益。反之,布设有错误或有瑕疵的护栏对用路人(Road Users)可能是致命的危险障碍物。因此,本章的主要目的在于详述道路护栏的种类、力学行为、常见问题及规划设计时应慎重考虑的相关细节,同时针对新式护栏进行详细的阐述。

护栏是路侧安全设计(Roadside Safety Design)的重点设计元素之一,其防护对象有行人及车辆两大类,本章探讨的对象仅针对行驶于道路上四轮以上的车辆,同时也对摩托车的适用性进行概略性的探讨。

表7-1 台湾地区《交通工程手册》与GB/T 31439.1—2015和JTG D81—2017对比


7.2 设置护栏的目的

根据道路所处路侧条件不同,道路横断面中可能不需设置护栏。所以一旦必须设置,则其主要目的有三个,即:

1.行车安全的考虑

(1)防止行驶中的车辆冲出道路范围外,例如路肩旁紧邻深沟、湖泊等路侧护栏。

(2)防止车辆越过道路安全行车范围与邻近车道的对向来车产生对撞(Collision),例如位于中央分向带、分向岛的护栏。

(3)道路养护或新建工程时可暂时排列使用,来限定施工范围与维护工作人员的安全;例如道路施工时常用的预制式混凝土护栏。

2.行车视线的考虑

连续布设的护栏有诱导驾驶人长距离视线清晰的功能,例如中央分向带、分向岛与道路两侧的护栏在驾驶人的视距范围内都能清晰显现该道路的几何线形。

3.行车的维护

护栏可以阻隔人畜任意越过,进入道路行车范围,造成车流干扰或交通事故,例如路肩旁的路侧护栏。

针对道路上行进中的车辆来说,优质的护栏应具备以下三个条件,即:

(1)护栏应该能有效拦截失控车辆,使人车受伤害的程度减至最小。

(2)护栏应有使失控车辆安全回复原来行车路径的设计理念。

(3)护栏应有合理的力学功能,能承受该道路的设计车辆(也称设计用车或设计车种)在设计速度时以合理角度撞击。

7.3 相关规范、手册

台湾地区道路护栏的规划设计,主要的参考根据有以下两个,即:

1.交通工程手册[1]

2.交通工程规范[2]

以上两个都由台湾地区交通厅颁布,但其最原始的参考根据是美国AASHTO (American Association of State Highway and Transportation Officals)的Roadside Design Guide(路侧设计指南,美国公路界以RDG简称)[3]。鉴于路侧安全设计的重要性,AASHTO在1989年正式出版RDG,此后在1996年、2002年、2011年陆续推出第二、三、四版。

除了上述的三个之外,读者也可参考欧洲的“RISER”计划[4]。此计划是2003年,英国、法国、德国等九个欧洲国家联合进行的Roadside Infrastructure for Safer European Roads计划,其主要目的在于利用数据搜集、分析路侧安全相关数据,进而提出对路侧安全有正面帮助的规划设计与施工理念。

7.4 护栏的分类

护栏的种类很多,可按下列方式进行分类,即:

1.按路段与桥梁分类

位于路堤、路堑段的护栏可以用路段护栏或路基护栏统称,或者用路堤段护栏、路堑段护栏细称。所以实际工程中,路堑段的道路设置护栏的概率比路堤段低许多。同理,位于桥梁段的护栏则称为桥梁护栏(Bridge Guardrail),欧美国家也称为Bridge Parapet。

2.按材质分类

例如木质护栏、铝制护栏、塑料制护栏、钢制护栏及钢筋混凝土护栏等。只针对行车用的道路来说,使用最多的为钢筋混凝土护栏及钢制护栏。实际工程中,钢制护栏则称为Guardrail,混凝土护栏通常称为Barrier,其可细分为预制式或现浇式。

3.按防护车辆撞击的面向数目分类

可分为单面防护护栏和双面防护护栏两种,其示意如图7-1所示。理论上,不论钢制护栏或混凝土制护栏都可根据情况所需而设计成单面或双面防护护栏。双面防护的理念则是将两个单面防护护栏组合成一个双面防护护栏。

实际工程上,道路两侧都为单面防护护栏,所以在中央分向带、分隔带处,护栏可能是单面或双面防护。采用单面或双面防护护栏的原则取决于中央分向带、分隔带的宽度。此可分为三种情况,即:

a.情况一:当中央分向带、分隔带很宽,例如大于10米时,可考虑不设护栏,其空间可以进行植栽绿化美化。


图7-1 单面、双面防护的护栏示意图

b.情况二:有发生双向对流车辆对撞的隐患时,在具有某宽度(例如1至6米)的分隔带、分向带两侧可考虑用两个单面防护护栏(钢制或钢筋混凝土制)。两单面防护护栏中央的空间可辅以植栽绿化美化,同时顾及夜间防眩效果,图7-2所示是典型的例子。


图7-2 有种植土的双向单面护栏

c.情况三:从设计观点来说,设计速度较高且土地资源有限的,通常采用双面防护混凝土护栏。针对低设计速度的地区道路来说,采用钢制双面防护护栏也是可行的。

4.按护栏结构刚度分类

护栏结构本身的刚度(Stiffness)或吸收车辆冲击能量的潜力来说,其可概分成三大类,即:刚性护栏、半刚性护栏与柔性护栏(细节详见本书后续详述)。道路工程规划设计者可根据道路线形、设计速度、路面横向排水效率与景观考虑来选择适合的护栏种类。

5.按护栏的使用期限分类

根据使用期限来说,护栏可分为长期性与临时性用途两大类。长期性护栏与道路工程共构固定,因此可归类为固定式护栏,是道路整体结构的一部分。反之,临时性护栏通常直接置于路面或土地之上,这可以归类为可移动式护栏,通常使用在施工中的工地或应用于交通管控。长期性混凝土护栏可以现浇或预制,所以临时性护栏大部分都为预制。

6.按护栏长度方向与道路长度方向的关系分类

护栏长度方向如与道路长度方向相同,称为纵向护栏。道路通常使用的护栏绝大部分都是纵向护栏。如果仅针对个别障碍物而设置的护栏则称为“独立式护栏”。

7.按护栏的防撞等级分类

根据道路等级、设计速度、车辆驶出行车道范围外可能造成的事故严重性等综合评估可以确定不同护栏的防撞等级。不同国家的设计规范通常根据其国情所需,针对不同道路等级与设计速度设定其护栏应具备的防撞等级。

8.按护栏的防护功能分类,台湾地区交通厅颁《交通工程手册》[1]将其分为两大类,即:

(a)路侧护栏

为纵向长条形,面向车道的单面防护设施,布设在道路内(中央分向带、分隔带)或是外侧,具有降低两向车辆对撞(针对道路内侧的护栏)及减少车辆意外驶出路外而遭受伤害的功能(针对道路外侧的护栏)。

(b)中央护栏

为纵向长条形,面向车道的双面防护设施,减少相邻两对向车道的车辆跨越分向带、分隔带而撞击对向来车。

如根据台湾地区交通厅颁《交通工程手册》[2],对路侧护栏、中央护栏的定义如下:

(a)路侧护栏

以纵向长条形,面向车道的单面防护方式设置,布设在道路内(中央分隔带)、外侧,具有降低两向车辆对撞及减少车辆意外驶出路外而遭受伤害的严重度,并且具有引导失控车辆回归正轨与减低冲击的功能。

(b)中央护栏

沿车道内侧布设的纵向长条形防护设施,以双面防护的方式设置,具有减少失控车辆横越中央分隔带并撞及对向来车的功能。

客观而言,上述台湾地区交通厅颁《交通工程手册》[1]、《交通工程手册》[2]中针对护栏的分类均易引人误解。道路工程规划设计者可能仅由字面判读,《路侧护栏》是位于道路两侧的护栏,而《中央护栏》则是位于具有双向车流道路中央处的护栏。但在实际工程中,位于中央分向带、分隔带处的护栏不见得必须要用双面防护护栏。例如当土地资源宽广时,分向带、分隔带两侧用单面防护护栏也是正常的。上述图7-2所述就是典型的例子。所以护栏的规划设计者本身应该有见解,才可能不被误导。

7.5 新泽西混凝土护栏

在各式混凝土护栏中,最出名的应该是新泽西混凝土护栏(New Jersey Concrete Barrier,简称Jersey Barrier)。如今,在各式混凝土护栏中,新泽西混凝土护栏及其后续衍生的改良式护栏(尺寸不一样,只是设计理念相同)可以说是全球各式混凝土护栏使用最多的。

7.5.1 研发背景

第二次世界大战结束后,美国境内高速公路建设如火如荼,其累积的高速公路里程举世无双,但也衍生较多交通事故,付出了很大的社会成本。因此,美国政府对高速公路车辆事故问题的研究持续不断。为避免高速公路相邻对向车道的车辆对撞,研究在中央分向带较窄无法进行植栽的地区,设置双倾斜面的混凝土护栏,以达到减轻车流对撞事故的效果。经研究并经实地设置在公路的比较数据显示,效果及其良好。美国联邦高速公路管理局(Federal Highway Administration,FHWA)由五十个州的应用与试验得到以下的结论:“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的护栏”。

新泽西州是美国最先使用此种混凝土护栏的一个州,所以工程界以新泽西混凝土护栏通称,其横断面如图7-3所示。该州曾在1949年以车祸统计方式计算其使用成效,在某一交通量每天高达60000~70000的公路上,未装设该护栏的前三年内有11人死于对撞车祸。装设后,再无对撞事故死亡事件发生。可见此种混凝土护栏完全分隔对向车流的效果极佳。也就是说采用新泽西混凝土护栏便可有效避免相邻对向车流产生对撞的事故。


图7-3 典型的双面防护式新泽西混凝土护栏

美国加州从1957年开始试验,结论为:(1)该护栏能有效改变碰撞车辆的前进方向,车辆因为重力关系下滑至路面而不致受损或受损的情况极小,仅在护栏侧留下轮胎擦痕,而护栏本身不受损,可见该护栏为较理想的狭窄型分向岛。(2)该护栏比以往使用的金属护栏可节省相当可观的养护费用,因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者),如果想要修复则所需费用较大。

7.5.2 力学考量

上述新泽西混凝土护栏的设计内涵在于能量转换原理,即将车辆的冲击能量转换为势能,进而有效降低事故的严重性。其特殊功能可归纳如下:

1.体积与重量都很大的混凝土能有效瞬间吸收车辆撞击能量,所以混凝土护栏本身不至于破裂毁损。

2.护栏面向车道的倾斜面可以快速逼使撞击车辆的速度下降。

3.在某撞击角度内,发生撞击的车辆因冲击能量被有效转换成势能爬升,车辆会因本身重力的原因,再逐渐由护栏倾斜面下滑至路面,所以车辆仍然有很大机会返回原来的行车路径。

新泽西护栏底部7.5cm垂直面的主要目的在于提供护栏与路面间的清晰接口,同时兼具收集路面横向排水的功能。当车辆撞击此7.5厘米高垂直面的效应如同车辆撞击7.5厘米高的垂直式缘石。也应注意,此7.5厘米垂直面于车辆冲撞时也可吸收部分冲击能量,如车速快,冲击角度大,由于冲击能量很大,车轮于撞击垂直面后便沿着下倾斜面(55°)往上爬升,但由于车辆重量的原因,车辆最终会沿着倾斜面而下滑至路面。当然,如果冲击能量大于下倾斜面可吸收的能量,这时车轮将爬升至上倾斜面,所以其倾斜角度更陡(84°),且倾斜混凝土表面对轮胎来说十分光滑,故车轮继续爬升的机会很小,车辆最终因重力的原因而下滑至路面,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对撞的主要原因。

台湾地区采用的新泽西混凝土护栏在底部垂直面处通常采3〞~ 4〞,即7.5厘米至10厘米(10厘米即为4英寸,比传统的美国新泽西护栏大一英寸)。从防撞性能与吸能效果来说,将底部垂直面由7.5厘米提升至10厘米对新泽西混凝土护栏的能量转换功能没有妨碍。

某些情况下,为了行车道路面横向排水的功能,也可每隔一段距离施作一开孔。开孔的高度不应该延伸至下倾斜面,以免妨碍护栏的正常功能。

7.5.3 F型混凝土护栏

新泽西混凝土护栏的最重要设计参数是上、下两倾斜面(下层的角度为55°,上层为84°)的转折点与护栏底部垂直面顶点的距离。当小汽车撞击新泽西混凝土护栏后,车辆前轮会紧贴下倾斜面而爬升,当爬升的高度越高,随着小汽车继续前进,其翻覆的机会必越大。因此,美国联邦高速公路管理局(FHWA)又主导进行原新泽西混凝土护栏断面的研究改良,将上、下两倾斜面的转折点离护栏底部垂直面顶点的距离由早期13〞(33cm)下降至10〞(25.5cm)与7〞(18cm)等尺寸。制造编号A至F的各种预制混凝土护栏,然后进行一系列的实车撞击试验,最后确定编号F者为最佳,因此工程界称为“F型混凝土护栏”,简称F型护栏,其横断面如图7-4所示。经FHWA实车撞击实验结果证实,此种护栏的耐撞或吸能效果比传统新泽西混凝土护栏更佳,同时也可有效降低小汽车冲撞护栏时的翻覆概率,所以如今道路主管机关都用F型混凝土护栏取代较早期的新泽西混凝土护栏。


图7-4 F型混凝土护栏倾斜面转折点高度的变化

7.5.4 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的F型混凝土护栏都有三个斜率的表面,即底部垂直面与斜角55°、84°的斜面。当道路沥青铺面刨除重铺后,则底部垂直面的高度可能改变。所以有些道路主管机关(例如美国德州、澳洲)索性将多斜率的表面改为单斜率型混凝土护栏,如图7-5所示。这种单表面斜率的护栏与F型护栏都具有优异的防撞功能与吸收车辆撞击动能的功效,且其斜率不会因沥青路面刨除重铺而有所改变。所以单斜率型护栏在新设道路工程中也极受欢迎。


图7-5 F型与单斜率型混凝土护栏的差异

7.6 常用护栏

除了上述的新泽西混凝土护栏、F型与单斜率型混凝土护栏之外,其他较常见的道路护栏分述如下:

1.波形梁护栏(W型钢板护栏((W-Beam Guardrail))

波形梁护栏,其横断面有如波浪形状,典型的波形梁护栏如图7-6所示。波形梁护栏由于横断面形状如波浪状,所以也称波形或浪形梁护栏,根据波形外观也可分为两波形梁与三波形梁(Thrie Beam),使用最多的是两波形梁。


图7-6 典型的波形梁护栏

以波形梁护栏支柱材料来说,其大致可分为四大类,即:方型或圆形木柱、钢筋混凝土柱、钢管柱及型钢柱。早期的波形梁护栏大部分都以方型或圆形木柱与钢筋混凝土柱为主,但随着时间的推移,木柱容易刚度不足,因为轻微撞击而开裂,所以仅适用于设计速度低的低等级道路。钢筋混凝土柱容易受风化的危害,刚度减小,致使护栏能承受撞击的力道明显变小。此外,当钢筋混凝土柱断裂后,内含的钢筋可能已锈蚀,在已严重变形的情况下,修复难度很高。所以演进至今,如今波形梁护栏都以型钢柱(例如S、W或H型钢)或钢管柱(圆柱或方柱,以圆柱较受欢迎)为主,其中钢管柱有全部取代型钢柱的趋势,由于其断面在受力各方向均具对称性,且表面没有尖锐。

为避免日后有锈蚀的隐患,W型钢板通常会经过热浸镀锌处理,如果考虑道路景观或其他特殊考虑也可以涂漆彩绘。

2.钢管护栏

顾名思义,钢管护栏是以钢管为横向连续梁主体,钢管可能是方型钢管或圆形钢管,所以圆形钢管使用量较大,其下方通常构筑有混凝土连续墙式基座。图7-7所示即为典型的例子。一般来说,各式钢管护栏在工程界都被归类为半刚性护栏。


图7-7 典型的钢管护栏

3.钢箱形护栏

图7-8所示为典型的钢箱形护栏(Box Beam Barrier)。此种护栏的优点大致如上述的钢管护栏,可归类为半刚性护栏,但挠度较小。因为横梁是箱形(矩形状)设计,约有15厘米(约6英寸)左右的空间来吸收撞击力。所以路肩处窄小,不能使用波形梁护栏时,可采用此种护栏。


图7-8 典型的箱型护栏

如果以使用数量来说,不论是钢管护栏还是钢箱形护栏,其使用量远不足波形梁护栏广泛。

4.缆索护栏

典型的缆索护栏(或称钢索护栏)如图7-9所示。缆索护栏是钢索以钢筋混凝土柱或钢管支柱等固定,但以钢管支柱较受欢迎。其优点为柔性设计,有极大的挠度,可吸收大量的撞击能量,且不妨碍用路人(Road Users)的视线,适用于有降雪的地域。但因为钢索挠度大,所以只能设立于较宽的路肩边缘及直线路段上。如果设立在多弯道的路段,则支柱间距须缩短,工程经费必上升。此外,诱导道路线形的功能较差是其主要缺点。


图7-9 典型的缆索护栏[10]

5.钢筋混凝土块状护栏

此种护栏为现场浇铸(Cast-in-Place),优点为施工方便,养护容易,可用于设计速度较低,且车流量少的地方性道路,其缺点为仅具警示功能,不能承受车辆的巨大冲击力,所以不应该用于车流量大或设计速度高的道路。典型的钢筋混凝土块状护栏如图7-10所示。为了提升警示功能,某些路段的块状护栏也可以涂漆彩绘,但彩漆有时间长而退色、剥离、变色的缺点。


图7-10 典型的钢筋混凝土块状护栏

6.综合式护栏

综合式护栏是指由两种不同型式的护栏组合而成,大部分使用在道路中央处,结合不同型式护栏的优点组合而成,图7-11所示即为典型的例子,其为波形梁护栏与缆索护栏的组合。


图7-11 典型的综合式护栏[8]

7.7 护栏的刚度

如本章上述,从结构力学的观点来看,护栏可根据其刚度分为刚性护栏、半刚性护栏与柔性护栏。各式护栏都有其独特的结构特性,优、缺点与适用性。因此分述如下:

7.7.1 刚性护栏

1.结构特性

刚性护栏是指具有特定的断面形式,单位长度的重量大,受车辆撞击时不至于发生明显的变形,最常见者为混凝土制如墙式结构的钢筋混凝土护栏,适合于现浇、预制吊装与现场相互连接。

2.优点

刚性护栏对防止车辆驶出路外、防止对向车流对撞的效果极佳,且因受车辆撞击后的变形微乎其微,所以长期养护维修费用极低。

3.缺点

有得必有失,刚性护栏也有其先天性的缺点。当车辆与刚性护栏的撞击角度越大,例如25°以上,则其对车辆与乘客的伤害越严重。此外,连续墙式混凝土刚性结构也造成路面横向排水功能不佳,且通透性差,对道路整体景观易有负面影响,对长途驾驶人的压迫感较大。

4.适用性

刚性护栏适用于双向车流量都很大的路段,例如:高速、快速公路的中央分向岛。此外,也适用于山区线形复杂路段的外侧,或路侧为悬崖深沟等车辆驶出易有严重事故的路段。

刚性混凝土护栏的景观性与环境协调性较差,所以强调景观功能与环境和谐的道路不应该采用。此外,刚性混凝土护栏容易阻碍积雪的清除,所以易下雪的地区最好避免采用。

7.7.2 半刚性护栏

1.结构特性

半刚性护栏通常以立柱建构成连续式的梁结构,所以半刚性护栏可视为梁柱式结构,最典型者是波形梁护栏,其具有某种程度的刚性与柔性,因此,被定位为半刚性护栏。借着立柱、护栏本身的弯曲变形与抗弯能力可有效吸收车辆的撞击能量,同时逼使碰撞车辆改变方向。

2.优点

波形梁护栏属于半刚性护栏,其动力挠度很大,可承受较大的冲击力,能减低乘客及车辆的损伤,适用于高速、快速公路及车流量大的重要道路。波形梁护栏可以说是刚柔兼具,吸收车辆撞击能量的效果较好,且通透性与路面横向排水性良好,易与周围环境协调。波形梁护栏除了传统的热浸镀锌处理之外,也可根据景观需求加以涂装。

3.缺点

波形梁护栏如果未热浸镀锌处理,钢板容易锈蚀,受撞击变形后的养护费用也很高,造成道路养护单位的长期负担。

4.适用性

景观性要求高的道路也可考虑采用波形梁护栏。 在曲率较大的平曲线路段外侧应优先考虑波形梁护栏,勿使用混凝土刚性护栏。对于特殊路段,例如高土堤路段等车辆失控易致重大事故的地方,波形梁护栏的防撞能力应适度提升,或缩短立柱的间距,增加连续梁结构的刚度。

台湾地区国道1号高速公路原本采用不设缘石方式的中央分向带。初建的时候(1978年),中央分向带内仅种树以防夜间车辆前灯造成的眩光,并增进路容的美观。所以大型车辆经常冲过中央分向带,除撞毁路树外,并撞击对向来车,造成严重的人车伤亡,后来在中央分向带两侧外缘加设波形梁护栏。波形梁护栏虽已有效防止撞击对向来车的车祸,但钢板受撞击极易变形毁损,不容易维修,除造成养护工作的严重负担外,并经常发生车辆撞伤或撞死修复波形梁护栏的工作人员,造成养护工作的极大困扰。因此,从1991年起,台湾地区交通厅高速公路局(简称“高公局”)决定在大转弯的危险路段,改设新泽西钢筋混凝土护栏。

由于新泽西混凝土护栏有特定尺寸,但沥青铺面工程可能不易保证新泽西混凝土护栏底部垂直面的原尺寸,另一方面,为了考虑重车频繁,有些护栏尺寸几经修改,可能已非原有新泽西混凝土护栏尺寸,所以为了免生争议(例如台湾地区赔偿法之诉讼),有些道路主管机关都通称为“混凝土护栏”,不再拘泥于新泽西混凝土护栏原来的称谓。

7.7.3 柔性护栏

1.结构特性

与刚性、半刚性护栏比较,柔性护栏具有较好的柔性与韧性,受车辆撞击时可提供较大的缓冲力。缆索护栏或钢索护栏即为最典型的柔性护栏。钢索可施加预力(初始拉力),其所需数目根据设计所需与立柱共构。缆索护栏吸收车辆冲击能量的主要来源为钢索本身可承受的巨大拉应力。柔性护栏的另一特色是通透性、排水性都很好,对驾驶人的压迫感较小,且易与周围环境相协调。

2.优点

柔性护栏对车辆撞击的缓冲力或吸能效果很强,对大型车与小型车都可适用。由于柔性护栏的高度通常高于混凝土护栏与波形梁护栏,所以对重心高度较高车辆的防护性较好。缆索护栏一旦受单一车辆冲撞,其损坏立柱的数目极为有限,在钢索未断(组成钢索横断面的所有钢丝均无断裂)的情况下可继续使用,修复成本低。此外,钢索立柱的相邻间距布设十分灵活,可因地制应该调整。

3.缺点

缆索护栏初安装时较困难,头尾两处须有锚固钢索的混凝土锚座。车辆冲撞钢索时,钢索的回弹力道可能造成车辆及人员的二次伤害。此外,与刚性、半刚性护栏相比较,柔性护栏的长距离道路几何线形的视线诱导功能明显较差。

4.适用性

柔性护栏的架设长度必须在某一距离以上才具有规模经济的效益,也就是说架设距离不应该过短。此外,缆索护栏的通透性最佳,没有妨碍用路人(Road Users)路外视线的隐患,所以极适用于有景观特色的道路,尤其是山区风景秀丽的地方。

上述刚性、半刚性与柔性护栏各有其优、缺点与适用性,表7-2所示为刚性、半刚性与柔性护栏的综合比较表。

表7-2 刚性、半刚性与柔性护栏之综合比较


7.8 路侧设计理念

7.8.1 路侧设计的由来

以路权设计(Right-of-Way Design)来说,路侧是指路权界线(简称路权线)的外侧。以行车安全的观念来说,路侧则是指行车道边线的外侧至路权线间的范围,其示意如图7-12所示,即由行车道边线至外侧路权线的范围。


图7-12 以行车安全考虑的路侧示意图

路侧设计的全名应为路侧安全设计,是指针对路侧区域进行行车安全考虑的所有设计细节,所以路侧安全设计也可以称为“路外安全设计”,如果更具体来说,是针对正常行车范围(行车道内)外侧的安全设计。路侧安全设计必须考虑的因素很多,比如边沟、边坡、排水设施、路侧植栽、标志、公共设施带、路侧结构物及其他障碍物等都属于考虑的因素。

路侧安全设计的核心理念在于“宽容设计”或“容错设计”(Forgiving Design)。该设计理念起源于1960年代,以美国为例,路侧安全的宽容设计理念已完全融入AASHTO出版的“Roadside Design Guide”[3]之中,其终极目标则是期盼达到可持续安全(Sustainable Safety)的境界,而可持续安全则是可持续发展(Sustainable Development)不可或缺的其中一环。

宽容设计理念的精髓根源于道路交通安全设施在规划设计时须有人性化考虑,是指必须体恤任何驾驶人都可能因为无心的过失(Human error)将车辆驶入路侧,所以道路工程规划设计者需有“容错”(容许无心的犯错)的设计理念,提供安全的路侧范围,即便不可能达到完全理想的安全境界也应利用交通工程手段尽可能减少事故发生,或设法降低事故的严重程度。

7.8.2 路侧净区

路侧净区(Roadside Clear Zone,简称“净区”)的概念是由上述宽容设计理念而来,是指能提供驶出行车道范围外的失控车辆有安全空间、有效停车或返回原行车路径的路侧范围。因此,路侧净区范围内不得有导致行车危险的因素存在,否则应该设置护栏保护车辆不要驶出安全范围之外。由此可清楚的认识到,路侧净区状况的好坏与是否必须设置护栏息息相关。

路侧净区的具体内涵如下:

1.针对路侧安全考虑,于是衍生具有人性化的宽容设计或容错设计理念,由此延伸,为了达成宽容设计理念,因此有路侧净区的思维。

2.路侧净区是道路工程规划设计时应尽可能达成的理想状态,其目的在于提供失控车辆安全的返回或停车空间。

3.路侧净区是具有高度理想性的规划设计指导原则,但实际工程中,由于地形、地物与工程经费的限制,路侧净区在很多情况下无法真正达到理想状态,所以当路侧净区的范围内有具危险性的其他因素(路侧危险因素,见本书7.9节详述)存在时,道路工程规划设计者应有适合的配套,根据各案而异,可因地制宜采取配套措施,布设护栏只是可能选项之一。

根据美国AASHTO的“Roadside Design Guide”[3],针对高速公路来说,如果行车道边线外侧还有9米的理想空间,则约有80%的车辆可安全返回行车道。针对交通量大的高路堤段高速公路,9 m的路侧净区宽度可能不足;反之,对于低等级的道路来说,9 m的宽度可能太大,所以应多方面综合考虑方可决定路侧净区宽度。因此,经过长期研究,AASHTO的“Roadside Design Guide”[3]建议,路侧净区宽度应由三大因素共同决定,即:

1.设计速度(Design Speed)

2.设计平均日交通量(Design Average Daily Traffic)。针对此点,有人单纯以每天的车辆数为准,也有人认为应以交通工程设计的PCU(Passenger Car Unit)为准。笔者认为以PCU为设计准则比较保守。

3.路侧边坡型态,即填方边坡(Fill Slopes)或挖方边坡(Cut Slopes)。

台湾地区交通厅颁《交通工程手册》[1]、《交通工程规范》[2]根据美国AASHTO的“Roadside Design Guide”[3]的建议,路侧安全设计可参考采用“路侧净区宽度”、“路侧净区宽度曲线”如表7-3、图7-13所示。

表7-3 路侧净区宽度[1,2]




图7-13 路侧净区宽度曲线[1,2]

客观而言,不论上述表7-3或图7-13求得的路侧净区宽度是多少,衡量台湾地区土地利用的现况,强制要求利用路侧净区宽度范围内进行路侧安全设计可以说是不切实际,所以设计者应灵活利用交通工程与安全专业,因地制应该,尽可能让失控车辆有救险的适当空间,让人车伤害降至最低。

7.9 路侧危险因素

路侧危险因素是指车辆驶出行车道范围之外,可能产生危险的潜在因素,其可分为两大类,即:1.地形因素,2.地物因素。具体而言,就是路侧净区范围内存在的危险地形、危险地物。

7.9.1 路侧地形因素

常见的路侧地形危险因素有两大类,即:1.边坡,2.路侧深水区。其中,边坡可分为人为边坡及天然边坡,也可根据路段特性而分为填方路堤边坡、挖方路堑边坡与半挖半填(或称半堑半堤)边坡。路侧深水区则是指道路旁侧也就是海洋、河流、湖泊、池塘等,其水深足以构成失控车辆的人、车伤害,甚至造成死亡事故。因此分述如下:

1.路堤边坡

路堤段的行车道路面高程高于紧邻路肩两侧的边坡。从路侧安全设计的角度观察,路堤段旁侧的边坡有三大类,即:可回复边坡(Recoverable Slope)、不可回复边坡(Non-Recoverable Slope)与危险边坡(Critical Slope,Dangerous Slope),其示意如图7-14所示。上述三种边坡也可能组成不同斜率的复合式边坡。


图7-14 路堤边坡示意图

可回复边坡也称“可返回边坡”,是指失控车辆有极大机会可再驶回行车道内的平缓边坡。不可回复边坡是指车辆一旦驶入,其发生事故(例如翻覆)的机会或许不大,但因为坡度造成的高程差,此车辆自行重新返回行车道的机会很小,也就是说该车辆可能要借助外力,例如拖吊车,才可驶离该处。危险边坡则是指车辆一旦进入,其发生严重事故的机会极大。

a.可回复边坡

可回复边坡的坡度通常缓于1:4(垂直:水平),由于坡度平缓,车辆一旦驶入,驾驶人仍有从容机会停车或减速后再缓慢驶回行车道。想达到可回复边坡的安全条件,除边坡的平缓斜率要求外,此边坡的纵横表面应无间断、坡面要平整,并且没有凸出的固定物与大型植物,其坡顶与坡底应圆化(Rounding)处理,使车辆轮胎随时保持与坡面接触,不会腾空飞越且不会触及车辆底盘。实际工程中,除非有其他危险障碍物存在,可回复边坡的路堤段以不设护栏为应该,此路段可适量布设线形或视线诱导等指示或警告设施。

b.不可回复边坡

不可回复边坡的坡度通常介于1:3至1:4(垂直:水平)之间。由于坡度很陡,车辆离开行车道驶入不可回复边坡后,通常无法停车或减速而自行返回行车道。因此,车辆一旦驶入不可回复边坡,最常见的状况是车辆直接冲至坡底,所以凡是不可回复边坡,其坡面上不能存在任何危险性障碍物。对于车流量小的低等级道路,不可回复边坡处的路堤段可以不设置护栏,但仍应该以交通工程手段辅以适量的指示或警告设施,对于车流量大且设计速度高的高等级道路也可考虑设置护栏。

c.危险边坡

危险边坡的坡度通常是指大于1:3(垂直:水平)的陡坡,车辆一旦驶离行车道冲入危险边坡后,由于车速骤增与坡度的综合影响,驾驶人通常无法有效控制车辆,所以车辆翻滚致灾的机会很大。因此,具有危险边坡的路堤段应设置断面与刚度都适合的护栏。

d.复合式边坡

道路两侧的边坡可能由数个不同坡度组成,为“复合式边坡”或“非均一边坡”。填方路堤段可能在同一断面有数个不同斜率的边坡,当净区宽度范围内含有较陡斜坡断面,导致车辆失控逸出无法再转回车道时,则需在坡脚(坡趾)(Toe of Slope)处另增设一清除缓冲躲避区(Clear Runout Area,简称清除缓冲区),如图7-15所示,该清除缓冲躲避区宽度应视路权取得、相关环境、经济因素、安全需求及以往事故记录决定。


图7-15 非均一边坡净区理想布设[1,2]

2.路堑边坡

路堑段旁侧的边坡高程肯定高于行车道,所以驶出行车道范围外的车辆安全性与边坡的坡度也有关系,坡度越大,车辆进入后,虽有减速的趋势,但车辆也有翻覆的可能,这时应该考虑设置护栏。当坡度较缓(例如小于1:4)时,进入此边坡的车辆应没有安全顾虑,所以应注意边坡表面的平整度及其表面是否有危险障碍物存在。

山区道路由于地形条件受限,可能紧邻极陡峭的坡面,坡面如果植被茂密,这时应该考虑边沟是否必须防护,例如加盖、封盖处理。所以当此陡坡表面具有凸出粗糙的硬石、岩壁,且道路横向净距很小时,车辆也可能撞击或磨蹭这些巨石、岩壁,这时也应针对岩壁、尖凸石块加以处理。

3.海洋、河流、深水塘或湖泊

当道路紧邻海洋、河流、深水塘或湖泊时,车辆一旦驶入,车辆会因重力而下沉熄火,车中乘员逃生困难。所以对于此路段路侧应设置断面与刚度都适合的护栏。

表7-4所示是台湾地区交通厅颁《交通工程手册》[1]与《交通工程手册》[2]中提示的路侧危险地形因素。所以笔者要强调,道路旁侧的地形状态很多样化,道路工程规划设计者应该有路侧安全的专业考虑,决定是否施设护栏及其他交通安全设施。

表7-4 路侧护栏的设置准则(地形因素)[1,2]


7.9.2 路侧地物因素

路侧危险地物因素很多样化,远比路侧危险地形因素复杂许多,在规划设计时必须将其纳入路侧安全设计的范畴。具体如下所示:

7.9.2.1 边沟

道路边沟的主要目的在于吸纳路面的横向排水,同时吸收外来的水流而进行纵向(道路长度方向)排水。边沟的形式很多样化,常见的有矩形、L型、V型、梯形与浅碟型等,根据道路等级及工程地质状况而异。从路侧安全的角度观察,道路边沟设计也应考虑在满足排水条件的前提下,让驶出行车道范围的车辆不会陷落掉进沟中或与边沟产生严重的碰撞,在道路几何线形恶劣的地方应该尤其谨慎。此外,考虑夜间的行车安全,也可以辅助适量的反光设施,例如反光突起路标、轮廓标与警告标志等。

边沟如经确认必须加盖(封盖)处理,金属制品要防止偷窃,并且无论采用任何材质的顶盖都必须检核车辆的载重。

道路如果紧邻既宽又深的区域灌排水沟,这时应该思考布设适合的护栏,同时用适量的其他交通安全设施进行辅助,例如布设适合的反光材料。

7.9.2.2 路缘石

路缘石(Curb)可以缘石简称,顾名思义,为道路边缘的“石”(通常为混凝土制)。缘石的主要功能在于收集路面横面排水后而将其导入至纵向,同时也有让道路两侧轮廓较清晰美观、减少道路养护工作等功能。缘石的种类很多,所以根据缘石的交通功能与横断面造型来说,缘石可分为“不可跨越式”(Barrier Type,也称屏障式或障碍式)与“可跨越式”(Mountable Type )缘石两大类,其示意如图7-16所示。以混凝土缘石来说,其制作方式可分为现浇式与预制式。


图7-16 道路旁路缘石横断面示意图

不可跨越式缘石面向行车道的表面通常垂直或几近垂直,高度通常为15厘米以上,其主要目的在于完全阻绝车流跨越,具有绝对威吓作用。可跨越式缘石高度较低,通常在10~15厘米左右,且其面向行车道的表面具倾斜度,车辆低速时可径行跨越。

针对路侧安全设计,道路工程规划设计者应该考虑车辆跨越缘石或撞击缘石的事故严重性,所以应思考以下几点,即:

1.低设计速度的道路可因地制应该布设缘石,例如紧临人行道的低设计速度市区道路。缘石本身的高程对道路轮廓有明晰功能,此外,对行人来说,也具有某种程度的保护作用。

2.当道路横向排水无隐患时,除非有其他考虑,否则路缘石应尽量不布设。

3.在必须设置可跨越缘石的路段应考虑缘石的高度,其主要考虑在于避免缘石触及车辆的底盘。

4.对高设计速度(例如80km/h以上)的道路来说,当车辆高速撞击缘石的时候,缘石没有导正行车方向的功能,但会造成车辆瞬间腾空飞跃,车辆前保险杆的轨迹将如图7-17所示,致使驾驶人无法有效控制车辆,极易造成事故。且高速度撞击时,缘石高度越高,则车辆撞击缘石瞬间的腾空越高。所以高设计速度的道路以不设缘石为原则,否则必须布设半刚性或柔性护栏,且护栏表面应比缘石更靠近行车道,也就是缘石必须布设于护栏表面的后方。


图7-17 车辆保险杆轨迹示意图(车辆高速冲撞缘石时)[1,2]

5.路缘石不应布设于上述新泽西混凝土护栏、F型混凝土护栏及单斜率型混凝土护栏之前,因为刚性混凝土护栏的原始设计功能会被缘石破坏。

7.9.2.3 行道树

路侧净区范围内的大型乔木对道路整体景观或有帮助,所以从路侧安全观点来说,道路工程规划设计师应严肃看待。树木间距越小,直径越大,距离行车道越近,其对行车安全的潜在威胁肯定越大,尤其在道路几何线形不佳与夜间、恶劣天气的时候。

路侧两旁几乎完全遮蔽蓝天的浓林密树确有景观察功能,所以台湾地区有些地方道路称为 “绿色隧道”、“林荫隧道”,其背后也有历史背景,不能因为路侧安全而强制移植或砍伐路侧树木,所以应该思考以交通工程手段增进行车安全。例如降低速限,加设警告标志,并辅以适量的道路线形诱导及夜间反光设施等。

7.9.2.4 公共设施杆柱

公共设施杆柱是指电线杆、信号杆、照明灯杆、标志杆(标志立柱)、消防栓等直立式硬质设施,其中电线杆的材质以钢筋混凝土为主,而信号杆、照明灯杆、标志杆(标志立柱)的材质则以钢管为主。这些硬质杆柱对驶出行车道范围外的车辆必有潜在危险性。针对具有高危险性的公共设施杆柱来说,设计者可以思考采用吸能式或可解体式的杆柱构件,其使用案例在交通工程界等很多。此外,在同一地点将分散布设的数根杆柱整合成单一“共杆结构”也是可思考的方向。

表7-5所示是台湾地区交通厅颁《交通工程手册》[1]与《交通工程手册》[2]中提示的路侧危险地物因素,读者也可参考。但应注意,台湾地区有很多民宅紧邻道路,图7-18所示是典型的例子。客观而言,在所有民宅旁侧加设护栏苦难极大,所以必要的交通安全设施仍然不能缺少,例如夜间反光设施等可以适量布设。

表7-5 路侧护栏的设置准则(地物因素)[1,2]



图7-18 民宅紧邻路侧的典型例子

另外根据台湾地区交通厅颁布的《交通工程手册》[1]、《交通工程手册》[2],设置于小区、行人与慢车道应给予防护地点的护栏,其考虑因素包括:

a.当道路经过学校、商业区或住宅区时,基于防止车辆可能冲出路外侵入各小区的隐患,可设置路侧护栏。护栏应尽可能远离车道,设置于被保护区的边缘,使护栏本身对车辆的危害能降至最低。

b.行车速限大于50公里/小时的道路,应该考虑设置适当的防护设施,使车辆与行人及自行车完全隔开。

7.10 护栏的长度组成

道路长距离范围之内,护栏必须根据该路段的路侧特性(如上述的边坡、路侧危险因素)与设计速度而决定是否布设。所以一旦决定必须布设,则护栏必须满足最小长度的基本要求,此即为护栏基本长度,或称护栏需要长度(Guardrail Length Needed)。其主要考虑在于某种长度以上的护栏才可发挥其应具备的整体性作用,例如波形梁护栏的连续梁功能。护栏长度如果太短,不止影响道路景观,无法有效发挥车辆撞击后的吸能与行车轨迹导向功能,同时还会增加车辆撞击护栏端末的机会。

沿着护栏的长度方向,如图7-19所示,由三部份组成,即:1.标准段(Standard Section),2.渐变段(Transitions),3.端末处理(Terminal,End Treatment)。其中标准段是护栏长度的主体,标准段的长度与渐变段长度的组合即是护栏的设计长度。应该注意的是,端末处理是针对撞击点的防护,所以端末处理的长度不应计入护栏的设计长度。


图7-19 护栏设置长度示意图

针对一般路段来说,标准段绝大部分都是平行于行车道方向布设,渐变段与端末处理可能因设计需求而不平行于行车方向。

沿着护栏的长度方向,护栏的端末处理有前后两端,如上述图7-19所示,即位于邻近交通车流方向上游处的车辆临近端(也称上游端)与车辆驶离的离去端(也称下游端),其中以上游端的端末处理对车辆行车安全的影响较大。

7.10.1 标准段

护栏的标准段是指护栏断面与型式均保持一致,且在一定长度范围内连续布设的结构段。一般来说,只要采用护栏的型式确定,设计者便可引用或参考相关设计规范、手册或标准图册等,所以笔者强烈建议,设计者最好采用具有实车撞击试验且经证实有效的护栏型式。图7-20与图7-21所示是台湾地区交通厅颁布的《交通工程手册》[1]、《交通工程手册》[2]中建议的路侧护栏、中央护栏标准段断面布设,其中部分具有实车撞击试验的数据可供参考,部分则无,所以设计者应参考以往案例而慎重选择。



图7-20 路侧护栏标准段的参考型式[1,2]



图7-20 路侧护栏标准段的参考型式(续)[1,2]



图7-20路侧护栏标准段的参考型式(续)[1,2]



图7-21 中央护栏标准段的参考型式[1,2]



图7-21 中央护栏标准段的参考型式(续)[1,2]

7.10.2 渐变段

渐变段是指紧邻标准段,其布设方式或刚度有别于标准段的部分。渐变段最常发生在波形梁护栏标准段与桥梁护栏、栏杆与翼墙(Wing Wall)的搭接处。图7-22所示为典型例子,将两波型钢板梁渐变为三波型钢板梁(Thrie Beam),然后锚定至桥梁的混凝土护栏。


图7-22 典型的波形梁护栏渐变段

事实上,沿着护栏的长度方向,只要路侧净区范围内的状况有特别考虑即需要布设刚度大于标准段的渐变段。例如某路段旁侧面临近深水湖泊或者悬崖,所以道路工程规划设计者可因地制应该布设。

7.10.3 端末处理

护栏的端末(Terminal)也称为端头,位于护栏标准段起始点前的上游端(临近端)或下游端(离去端)所设置的端部结构。当车辆正面撞击护栏上游端未经特殊处理的端末时,车辆可能被穿刺或因瞬间撞击而向旁侧翻覆,造成的后果比车辆由旁侧撞击护栏标准段更严重。因此,上游端的护栏端末处理对路侧安全设计至为重要。所以也该清楚认识到,护栏的端末处理无法完全制止交通事故的发生,其终极目标只是尽可能降低事故的严重性。常见的端末处理方式有三大类,即:

1.吸能式端末处理

上游端的端头如果有吸能装置,当遇到车辆直接撞击时可大大减轻事故的严重性。如图7-23(a)所示,无吸能功用的端末仅有涂装(反光漆)的警告设施,图7-23(b)则是具有吸能设施,除了涂装之外,同时利用端头处可受力变形的特征来吸收车辆的撞击能量。


图7-23 没有吸能与具有吸能功用的端末处理[6]

不论端头处是否具有吸能功用,在端末处理的长度范围内,护栏支柱必须采用刚度比标准段弱的构件,其主要目的在于端头遇车辆撞击时,端末处理段会往旁侧产生较大变形,进而达到“二次吸能”的功用。

2.外展式端末处理

护栏的外展式端末处理是指将护栏上游端的端末往路侧方向展开,使其更远离行车道边线,图7-24所示即为典型的例子。


图7-24 典型波形梁护栏端末外展式处理[6]

其中图7-24(a)所示的作法是由端末处第一支柱起逐渐将钢板旋转90°,使其平顺弯曲至端点后,并埋设于路床,此作法即是道路工程界通称为“外展地锚式”。图7-24(b,c)所示则是除了端末外展之外,同时在端头处辅以圆头状吸能设施,此即是道路工程界通称为“外展圆头式”。

外展地锚式的端末处理也有明显问题,因为端末处有如一道斜坡,车辆冲撞后易有爬升的趋势,车速快的,容易飞抛空中。所以其旁侧也应辅以合适的警告及反光设施。

护栏于端末处的外展式处理并非完全没有缺陷。因为当展开率(Flare Rate)b:a(其定义见图7-25)越大,车辆撞击角度也越大,则事故严重性必越高,此现象对刚性、半刚性护栏尤其明显。此外,由于护栏端末外展的原因,车辆冲撞后也可能被弹回行车道甚至于对向车道,进而造成二次伤害,此现象在双向双车道的地区性道路尤为明显。


图7-25 护栏端末展开率的定义

3.与路侧边坡结合式

护栏的端末如果紧邻路堑边坡,也可考虑将护栏端末外展而将端头深埋进边坡土体之内,图7-26所示为典型例子,所以要注意覆土深度须足够。如边坡处为硬石岩壁,也可将W型钢板端末外展锚固于硬石岩壁之上。



图7-26 波形梁护栏端末埋入路侧土堤的典型例[6]

7.11 护栏的重要设计参数

7.11.1 护栏的横向净距

理论上,在必须设置护栏的前提下,护栏布设位置应尽可能远离行车道边线,这有助于驶离行车道范围的车辆,在冲撞护栏之前仍有从容机会返回行车道。因此,护栏设计应有横向净距(也称侧净距)的考虑,即行车道边线与护栏(平行于行车道线)的真正距离应尽可能大于或至少等于横向净距。此横向净距虚拟而成之线在AASHTO的“Roadside Design Guide”[3]中称为“后退线”(Shy Line)。后退线与行车道边线的距离则称为“后退距离”(L_s),其示意如图7-27所示。


图7-27 后退线与后退距离示意

由上述图7-27可清楚知悉,护栏设计必须遵循式(7-1)的准则,即:


上式中,L2=行车道边线至护栏表面的距离。

后退距离的大小与路段特性有关,其中最重要的是该路段的设计速度。根据台湾地区交通厅颁《交通工程手册》[1]、《交通工程手册》[2],路侧护栏设计时用以参考的后退距离如表7-6所示。表7-7所示是AASHTO的“Roadside Design Guide”[3]的建议值。

表7-6 后退距离与设计速度之关系


表7-7 AASHTO建议的后退距离[3]


由上表可知,两者的数据极为接近,且设计速度越高,则护栏设计时应考虑的后退距离越大。护栏布设位置应尽可能设置于后退距离之外,以免造成驾驶人行车压迫感与过度反应。尤其针对长度较短、孤立式的护栏更应确认横向净距须足够。对于长度很长的护栏来说,护栏端末处可能远离后退线之外,然后逐步渐进至靠近后退线。

7.11.2 护栏的动态变形量

护栏的动态变形量是指护栏受车辆撞击后的变形量(Deformation),因为护栏受撞击后产生变形量才可吸收车辆的冲击能量。在相同受力条件下,刚性越大的护栏,其变形量必越小。

护栏与被防护对象间的距离必须大于该护栏的动态变形量,考虑动态变形量的主要目的在于避免护栏受撞击变形后,车辆将与被防护对象直接接触,这有违布设护栏的初衷。刚性越大的护栏受撞击后的变形量越小。当然,任何护栏的动态变形量必须进行实车撞击试验方可得知,例如台湾地区交通厅颁《交通工程手册》[1]、《交通工程手册》[2]中的路侧护栏、中央护栏标准段,其中有部分型式都有动态变形量可供参考。如果无实车撞击试验数据可用,设计者可以参考中国大陆《高速公路护栏安全性能评价标准》(JTG/T F83-01-2004)[12]中提供的不同护栏型式参考值,如表7-8所示。

表7-8 不同刚性护栏的最大容许动态变形量参考值


根据台湾地区交通厅颁布的《交通工程手册》[1]、《交通工程手册》[2],针对有中央分向带、分隔带的中央护栏来说:

●当中央分向带、分隔带宽度小于6米,如采用半刚性护栏,其动态变形量应该小于分向带、分隔带宽度的一半。

●当中央分向带、分隔带宽度介于6~10米,如采用柔性护栏,其动态变形量应该小于分向带、分隔带宽度的一半。

当护栏的防护对象为刚性物体,且受到空间局限时,护栏可直接锚固于刚性物体上,所以必须缩小护栏支柱间距、放大支柱尺寸等方法以增加护栏的抗冲击强度,图7-28所示即为典型的例子。


图7-28 护栏直接锚定于刚性障碍物的防护[1,2]

7.11.3 护栏基础

护栏要有抗车辆冲击的功能,必须有稳固的基础,所以护栏基础的深度须足够,而且必须考虑路基土层能否提供足够的被动土压力,即基础至路基边缘的距离必须充足,此是考虑到土壤的阻抗能力。以路堤边坡为例,根据《交通工程手册》[2],护栏支柱与边坡顶端转折线(Hinge Point形成之线)间应该有0.5米以上的距离。通常0.5~0.6米以上的距离便可满足护栏支柱的侧向支撑力要求,其示意如图7-29所示,所以也应检查该距离与土层特性、边坡斜率、支柱断面、埋设深度及预期碰撞条件等相关因素。


图7-29 护栏支柱与坡顶转折线的距离

如果路侧边坡很窄,且邻近路肩宽度不足,或支柱埋设于坡顶转折线时致使护栏基础有不稳的隐患时,如图7-30所示,可考虑将护栏支柱埋设深度增加30厘米(1英尺)左右或更多,以抵消因边坡高程降低的土壤阻抗能力。此外,也可考虑减少支柱间距以提升护栏的抗冲击能力。


图7-30 护栏布设于边坡顶端转折线的示意图

7.11.4 边坡高度与坡度

路堤段的高度与坡度是决定是否必须布设路侧护栏的基本因素,如图7-31所示,图中曲线上方的路侧应该设置护栏,曲线下方的状况则尚须检视其他路侧危险因素而决定是否布设护栏。


图7-31 路堤段路侧护栏设置准则[1,2]

上述图7-31的设计准则是参考美国AASHTO的“Roadside Design Guide”[3]而来,填方路堤段是否必须布设路侧护栏的基本准则为:

1.当边坡斜率为1:3(垂直:水平)以上时,应思考布设护栏。

2.如边坡斜率缓于1:3时,仍需检查路侧净区内是否有路侧危险因素存在再决定是否布设路侧护栏。

读者也应注意,上述图7-31的设计准则仅适用于路侧护栏,至于多车道中央处的中央护栏,其设计准则与路侧边坡的坡度还没涉及到,具体细节详见本书后续7.12节。

车辆撞击护栏时的撞击点位置有关护栏拦阻车辆功能。以波形梁护栏为例,撞击点太高,车辆可能从已变形的护栏上爬升跨越,进而翻覆。反之,撞击点如太低,车辆可能卡在波形梁护栏下方。

护栏的高度通常以车辆的前保险杆设计,所以道路工程设计者除了考虑路段特性之外,也应注意该路段的主要车流型态。

护栏的测试几乎都在水平地形进行实车撞击试验,所以当护栏设置在有坡度的边坡斜面时,失控车辆撞击护栏的位置可能太低,或者撞击点太高而导致车辆跨越护栏。因此,当护栏布设于坡面时,应谨慎评估车辆冲入坡面时的前保险杆连续轨迹。

如根据台湾地区交通厅颁布的《交通工程手册》[1]、《交通工程手册》[2],缘石与护栏同时使用时,缘石面不应该较护栏面更接近车道,否则须考虑护栏设置高度。因为缘石没有导正行车方向功能,与护栏同时使用时,缘石面不应该较护栏面更接近车道。护栏高度原则上以埋设地面为基准,如护栏面的标准高度是以缘石顶部为基准时,车辆冲撞护栏高度将比正常状况者为低,如图7-32所示,这时应在标准护栏面下加装摩擦导轨或下层护栏钢板,顶部距路面高度应在0.4~0.5米间。


图7-32 车辆保险杆轨迹示意图,修改自文献[1,2]

一般来说,路侧护栏应布设在坡度为1:10或更缓的边坡上。当边坡坡度大于1:6时,设置护栏要特别谨慎,应该预留侧向空间以保证失控车辆以合理高度冲击护栏。

7.11.5 护栏影响长度

护栏影响长度(Runout Length,L_R)是指沿着行车道方向,车辆一旦驶离行车道范围,其可能产生事故的某一段距离,其起点为车流上游端某一点,终点则是被防护对象的表面,如图7-33所示。


图7-33 护栏影响长度[1,2]

决定护栏影响长度的主要目的在于界定路侧护栏的布设位置,即路侧护栏必须在护栏影响长度的范围内。

根据AASHTO的“Roadside Design Guide”[3],与护栏影响长度最直接相关的两大因素是设计速度与平均日交通量(Average Daily Traffic,ADT),如表7-9所示。表7-10是台湾地区交通厅颁布的《交通工程手册》[1]、《交通工程手册》[2]的护栏影响长度建议值。两者的值更为接近。

表7-9 Runout Length[3]


表7-10 护栏影响长度[1,2]


7.11.6 护栏设计长度与端末处理

护栏所需长度应包含平行于道路保护区的长度、护栏上游端渐变段长度;如果需要,还包括护栏下游端渐变段长度等。至于护栏端末处理部分不应列入护栏长度,其观念在于端末处理的重点为撞击点的防护,而护栏设计长度是考虑撞击面的防护。

护栏端末的布设可由设计速度、平均日交通量等对应的影响长度、后退距离与展开率决定,如表7-11与上述图7-33所示。上述图7-33中,护栏自障碍物起算至护栏终点所需的长度X及护栏终点至行车道边线的支距Y可根据式(7-2)与式(7-3)计算:



式中,LH=行车道边缘至危险区域的涵盖距离,(≦LC

b/a=护栏的斜向渐变率,即展开率,a、b 的比例如表7-11所示。

L1=危险区域上(下)游的护栏切线长度,可为零。

L2=行车道边缘至护栏表面的距离。

L3=行车道边缘至障碍物的距离。

LC=路侧净区宽度,参照上述图7-13。

LS=后退距离,如表7-11所示。

在无实体中央分向、分隔的道路上,只绘制分向标线的,对向交通的车辆也可能冲撞至邻近交通旁侧的护栏,所以邻近交通下游端的护栏也须进行端末处理,且路侧净区须以对向交通的行车道边线为起算点,如图7-34所示。

表7-11 路侧护栏设计参数[1,2]



图7-34 护栏下游端的端末处理[1,2]

根据台湾地区交通厅颁布的《交通工程手册》[1]、《交通工程手册》[2],如果是双向、无中央分隔的道路,则危险区下游端的护栏也应作斜向展开,并作适当的端末处理,如上述图7-34所示。在此状况下行车道边缘是指中央分向线,计算之方法如上述之式(7-2)与式(7-3),计算时,如LHLC,则令LH=LC ,如L3LC,则不需要斜向展开,但还是得做适当的端末处理,如L2LC,则不需要斜向展开,也不需要端末处理,所以仍须消除护栏的尖锐终端。

7.11.7 支柱间距与尺寸

半刚性与柔性护栏的支柱间距直接影响到护栏的结构刚度,在支柱尺寸相同的前提下,间距越小,则护栏刚度越大,设计者可因地制应该调整。所以也应注意,护栏支柱的设计有强柱(Strong Post)与弱柱(Weak Post)两种概念,通常强柱用于标准段与渐变段,而弱柱则用于端末处理。端末处理采用弱柱的主要原因在于车辆撞击后,弱柱结构也可因变形而兼具吸能作用。

7.12 中央护栏

与上述路侧护栏一样,沿着中央护栏的长度方向,其组成也有三部份,即:标准段、渐变段与端末处理。中央护栏的布设思维与上述路侧护栏差异很大,其主要原因有以下两点,即:

1.路侧护栏想要防止的行车事故是车辆逸出行车道范围而产生的“单车事故”,即波及其他车辆的机会很小。但中央护栏布设的主要目的在于防止车辆逸出行车道而与临近对向车道的车流产生“对撞”事故。

2.路侧护栏外侧可能临近陡坡、深水区或其他人工与天然障碍物。而中央护栏处的地形通常较为平坦,除了应该考虑排水因素外,地形变化通常极为单纯或较为平缓。此外,中央护栏内的障碍物(例如墩柱、公共设施杆柱)人为设计的较多。

中央分向带、分隔带的宽度与平均日交通量是决定是否需要设置中央护栏的基本因素。具有高速率、出入口管制等特性的道路,除特殊路段不允许设置外(例如早期高速公路设计须考虑的战备跑道),中央护栏标准段的置准则如图7-35所示。


图7-35 中央护栏标准段布设准则[1,2]

参照美国AASHTO的“Roadside Design Guide”[3],交通厅颁布的《交通工程手册》[1]、《交通工程手册》[2]明示是否必须布设中央护栏标准段的基本判定准则如下:

1.平均日交通量高于20,000辆,中央分向带、分隔带宽度在6米以下;或平均日交通量高于30,000辆,中央分向带、分隔带宽度在10米以下,应该设置中央护栏。

2.平均日交通量低于20,000辆,需要根据道路线形、坡度、视距及事故记录等决定。

3.平均日交通量介于20,000辆~30,000辆,中央分向带、分隔带宽度介于6米~10米间,如上述图7-35所示的斜线上方,应该设置中央护栏。

4.若中央分向带、分隔带宽度介于10米~15米间,需要根据状况设置。

5.若中央分向带、分隔带宽度大于15米,除非曾经有严重的横越分向带、分隔带的事故记录,否则无须设置。

客观而言,衡量台湾地区土地资源的现状,单纯以上述准则判定是否必须布设中央护栏是不切实际。根据以往的做法,台湾地区的高、快速公路几乎都设有中央护栏,地区性道路的情况变化较大,道路工程规划设计者应综合考虑。

7.13 平曲线路段修正

本章上述的护栏布设相关细节系针对直线路段,在平曲线路段,路侧净区宽度必须加以修正。此处的“曲线”是指道路几何设计中与平面线形有关的平曲线。今假设:

Lc:由路侧护栏设计准则得知的路侧净区宽度值。

Kcz:平曲线调整系数,如表7-12所示,其值必大于1.0。

则于平平曲线路段外侧(曲率半径较大者)求得的净区宽度,Czc,便可表示成:


表7-12 平曲线路段路侧净区宽度修正系数(kcz)[1,2]


针对上表7-12,读者应注意以下几点,即:

1.平曲线路段的路侧净区宽度必大于直线路段。表7-12虽由台湾地区交通厅颁布的《交通工程手册》[1]、《交通工程手册》[2]而来,但其来源也是根据AASHTO的“Roadside Design Guide”[3]。

2.平曲线路段路侧净区宽度修正仅适用于曲线半径最大900米(注:AASHTO[3]中之值为2950 ft.),当曲线半径大于900米时,平曲线路段的路侧安全设计理念与直线段没有差异。

3.当设计速度大于110km/h时,平曲线路段净区宽度的修正值以110km/h为准。

4.平曲线路段路侧净区宽度的修正只适用于曲线外侧,其主要理由可参考图7-36的说明。


图7-36 常见弯道事故类型

图7-36表明,平曲线路段事故率的特性是车辆因超速而冲出弯道外侧(情况a、b)的概率大于内侧(情况c、d),故平曲线路段的路侧净区宽度应针对路线外侧。由此可知,公共设施杆柱应布设于路线内侧。

7.14 选择护栏考虑因素

除桥梁段之外,道路设计时的路侧以不须设置护栏为最高指导原则。所以实际工程中,基于路段特性、路侧危险因素与设计速度的综合考虑,某些路段必须有护栏才可达到路侧安全设计的目标。所以一旦决定设置护栏,究竟用什么型式的好,其主要的考虑因素可综合《交通工程手册》[1]、《交通工程手册》[2]、美国AASHTO的“Roadside Design Guide”[3]及笔者的建议整理如下:

1.护栏特性

(1)护栏受撞击后的动态变形量、强度及安全性,随其刚性、半刚性或柔性而不同。

(2)若护栏距防护的危险物很近,应设置刚度较大的混凝土式或钢板式护栏;若相距很远,有足够空间容许护栏受撞击产生较大的挠度,应使用柔性护栏。

(3)中央护栏的型式,应该基于中央分向带、分隔带的宽度,建议根据下述原则考虑。中央分向带、分隔带宽度小于6米,应使用混凝土式或钢板式。当宽度越小,交通量大的路段,应该装设混凝土式。至于钢板式的设计,应具相当的刚性,其允许的动态变形量应小于分向带、分隔带宽度的一半。中央分向带、分隔带宽度介于6米及10米间,可与道路整体景观设计综合考虑,使用混凝土式、钢板式或钢索式。

(4)护栏型式的选择,必须使危险性减至最低,并配合建造成本及其他考虑因素。在道路设计条件下,护栏要能拦住或使失控车辆重新恢复行驶方向,使其危险性降至最低,并对工程费用及其他因素作详细考虑。

2.维护问题

(1)选择护栏型式时,对未来碰撞维护、例行维护等长期负担与社会成本(例如交通维持计划造成的车流阻塞)损失,要深入考虑。

(2)对于材料来源是否安全,也为护栏型式选择时应考虑的因素。

3.和谐性

护栏形式应具有环境和谐性,能与当地环境及其他防护设施相接续,并应进行适当的端末处理。

4.成本

(1)一般而言,护栏的建造成本随其刚性或强度的增加而增加,而维护成本反之。

(2)对驾驶人的安全威胁或因意外事故造成的有形与无形损失,随护栏刚性的增加而增加。

(3)选定护栏型式时也应根据道路的路段特性,采用安全且造价最经济的护栏。

5.设置经验

护栏的种类与造型较多,设计者应搜集各类护栏设置后的表现,作为选择参考,尤其注意应尽量以具有实车撞击试验者为优先考虑。

6.美观

(1)护栏应该有整齐和谐的外观,并与周围环境相调和。

(2)在风景优美地区,护栏的型式应使用路人能有最大的视野,即护栏的通透性要佳。

7.试验性

试验性设置的新式护栏(例如塑料护栏),在实车试验证实功能显著后才能永久设置。

8.气候考虑

选择护栏型式应考虑当地的气候条件,浓雾频繁地区,应选用外观较明显并有诱导视线功能(或道路线形诱导)的护栏,例如波形梁护栏或新泽西护栏。在高山地区也可辅以护栏表面的彩色涂装,所以也应将道路整体景观纳入考虑。

9.视觉感受

在临海、河畔、溪谷及隧道前后等地区,由于视觉感受的原因,驾驶人与乘客面临的恐惧与压迫感较高,可利用波形梁护栏或新泽西混凝土护栏提升用路人的安全感。

7.15 台湾地区道路的路侧环境探讨

由本章上述,路侧安全设计在各式道路设计过程中不可忽略。根据笔者的长期研究与实地调查,从路侧安全设计观点而言,台湾地区高、快速公路的路侧环境隐患较少,但早期兴建的省、县、乡道与市区道路有深入检视与评估的必要。以图7-37所示为例,路侧混凝土护栏内侧布设电线杆,明显与路侧安全设计的理念不符。当然,笔者必须强调,将电线杆布设于路侧护栏内绝非道路主管机关的本意,所以联络协调电力公司将电线杆移至护栏外侧是道路主管机关不可推卸的责任。


图7-37 护栏内侧布设电线杆的典型错误例

上图7-37所示只是一小部分,台湾地区早期道路的兴建,基于时代背景与历史因素,一切以通行方便和工程经济为最高考虑,行车安全的意识尚未深入[9],所以笔者认为,事后的补救,例如全面详细的路侧安全评估与合适的交通工程辅助手段是可行而且必要的。例如美国AASHTO的“Roadside Design Guide”[3]将路侧安全评估分为7个等级,中国大陆则分为四级,级别越高(数字较大),代表路侧安全隐患越大,则后续必须检讨与改善的力度越大。图7-38所示AASHTO[3]建议的路侧安全评估指标,共分三个阶层,其涵盖细节较广,除了路侧危险因素之外,由最初的道路几何线形至后续的交通量调查、重车比例与事故纪录的收集均包含在内。


图7-38 常用之路侧安全等级评估阶层与指针

此外,由上述路段的路侧安全设计理念延伸,其是否可应用至长距离的高架桥路段、市区道路,甚至村里巷道?都值得再三深思与长期研究。尤其应该注意,地方性道路与市区道路的路权常受限制,所以其路侧安全设计的理念必与高、快速道路差异很大。以图7-39所示为例,其明显不符市区道路的路侧安全设计理念。


图7-39 不符市区道路路侧安全设计的典型例子

7.16 新式塑料护栏

有别于传统波形梁护栏与混凝土护栏,近年来,塑料制护栏也已在道路工程建设中出现。此处说的塑料意指PC(聚碳酸酯)与PP(聚丙烯)。图7-40所示即为典型的塑料护栏工程实例。


图7-40 典型的塑料护栏[11]

表7-13所示即为波形梁护栏与塑料护栏静态试验实照比较表。表7-14所示为波形梁护栏与塑料护栏的比较表,其余相关测试数据,读者如有兴趣可直接参考产品型录(文献11)。

表7-13 波形梁护栏与塑料护栏静态试验实照比较表[11]


表7-14 波形梁护栏与塑料护栏的多重比较[11]


优质塑料有别于传统新泽西护栏与钢质护栏,其优点在于产品结构安全性强、延展性高、质轻且耐候(蚀)性佳,并有示警、吸震、缓冲、强韧、美观与安全的功能,建置与维护成本低廉且安装(或拆卸)方便等特性。此外,采抗UV 色料耐光8级(汽车最高等级),可防日晒及高温环境。也具有材料可回收再利用的特性,不破坏土壤与生态环境,较符合现行的环保理念且具经济效益。

另在本产品外观部分,其外表美观可根据整体规划设计,采用不同色彩(可由使用单位指定) 融合该地景观并增加道路风光,且该道路护栏具备特殊反光钮设计(顺向黄光、逆向红光),对驾驶人有示警作用,提高行车安全。

7.17 常见护栏损坏模式

道路护栏受车辆撞击后的损坏模式随护栏种类不同而有所差异,刚性越大,例如混凝土护栏,其损坏模式较单纯,通常只有表面擦痕或细微剥落,不会损坏原功能。以波形梁护栏为例,其损坏模式可大致分为下列数类,即:

1.钢板分离

波形梁护栏要有连续梁的功能,两相邻钢板须在支柱处搭接稳固,并用螺栓锚定,当锚定有瑕疵(例如螺栓脱落)或支柱毁损时,两搭接的钢板可能分离,图7-39所示为典型例子。分离后具尖锐状的钢板对驶离行车道范围外的车辆有潜在的威胁性。


图7-39 波形梁护栏于支柱处完全分离的典型例[6]

2.钢板局部撕裂

当护栏支柱有不均匀沉陷时,沿着护栏长度方向的高程有明显变化,或者波形梁护栏承受车辆掉落的重物袭击都可能造成波形梁护栏的局部撕裂。图7-40所示为典型的例子。局部性的护栏缺陷容易导致波形梁护栏连续梁功能的降低。


图7-40 波形梁护栏开裂的典型例子[6]

3.钢板凹陷

波形梁护栏受车辆撞击容易凹陷,这是波形梁护栏最常见的缺陷,图7-41所示均为典型的例子。当然,应注意,护栏凹陷变形常会伴随着支柱的变形,甚至断裂毁损。


图7-41 波形梁护栏受车辆撞击凹陷的典型例子

4.钢板严重移位

钢板受撞击后的变形量太大,且支柱歪斜严重,图7-42所示为典型的例子,这时的护栏结构已失去原功能,必须立即改建。


图7-42 波形梁护栏损坏且严重移位

道路护栏受车辆撞击的情况确实难免,所以事后的安全性警告(例如暂时置放交通锥等)、维修补强或重新改建也不可忽略,例如文献[6]所述的内涵即是值得参考的作法,与常态性的道路巡查紧密结合,使道路护栏能随时保持其应有的功能。

7.18 结论与建议

本章上述就路侧设计理念及护栏布设的重要细节做了详细讲述,因此将笔者的心得结论与建议归纳如下:

1.直至目前为止,台湾地区针对路侧安全设计可参考的根据只有台湾地区交通厅颁布的《交通工程手册》[1]与《交通工程手册》[2],所以其全面性与技术性都没有美国AASHTO的“Roadside Design Guide”[3]广泛,所以道路主管机关可以思考构建一部符合台湾民风的“路侧安全设计指南”或“路侧安全设计手册”,尤其应深入考虑地区性道路与市区道路摩托车数量庞大的情况。

2.美国AASHTO的“Roadside Design Guide”[3]是针对四轮以上的车辆,将其参考应用至台湾地区的高、快速公路,所以针对省、县、乡道与市区道路而言,由于摩托车数量庞大,所以路侧安全设计的内涵应重新梳理。因此,台湾地区交通厅颁布的《交通工程手册》[1]、《交通工程手册》[2]及台湾地区内政厅颁布的《市区道路及附属工程设计规范》[10]等官方颁布的仍有补强的空间。

3.护栏只是路侧安全设计的其中一项,为增进行车安全,友善的路侧环境才是应全面努力的目标,此观念不仅适用于高、快速公路,同时也适用于地区性与市区道路。

4.针对各类型的护栏,其在各不同道路系统中的使用绩效如何,道路主管机关应该进行长期的调查与统计分析比较。

5.如何兼顾路侧安全设计与道路整体景观也是日后可进行的研究课题。

6.与波形梁护栏比较,塑料制护栏的生命周期如何?其是否值得全面推广,这也值得长期观察。

素材来源:守护交安天长地久

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