徐耀賜

道路工程中使用的混凝土護(hù)欄種類眾多，依設(shè)計(jì)速率、設(shè)計(jì)車輛、道路等級(jí)、幾何線形等各條件而異。在各式混凝土護(hù)欄中，最負(fù)盛名的是紐澤西混凝土護(hù)欄（New Jersey Concrete Barrier，New JerseySafety Shape Concnete Barrier，簡(jiǎn)稱Jersey Barrier，NJ Barrier）及其后來衍生的其他較新型式混凝土護(hù)欄。時(shí)至今日，在各式混凝土護(hù)欄中，紐澤西混凝土護(hù)欄及其后續(xù)衍生的改良式護(hù)欄（尺寸稍有不同，安全設(shè)計(jì)理念相同）是全球各式混凝土道路護(hù)欄使用量最大的，對(duì)道路交通安全貢獻(xiàn)極為卓著。

一、紐澤西混凝土護(hù)欄

（一）研發(fā)背景源于高發(fā)的道路交通事故

紐澤西混凝土護(hù)欄于1950年由位于美國(guó)紐澤西州的史帝文生理工學(xué)院（Stevens Institute of Technology）最早開發(fā)，經(jīng)一連串理論分析、實(shí)車撞擊測(cè)試與安全驗(yàn)證，最終正式尺寸于1959年經(jīng)由美國(guó)聯(lián)邦政府運(yùn)輸部（US Department of Transponation，US DOT）認(rèn)可確立。

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，美國(guó)境內(nèi)高速公路建設(shè)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(huì)成本?；诖?，美國(guó)政府對(duì)高速公路車輛肇事問題的研究經(jīng)年不斷，其中，為避免高速公路相鄰對(duì)向車道車輛正向?qū)ψ?，研究在中央分向帶較窄無法進(jìn)行植栽的地區(qū)，設(shè)置雙傾斜面混凝土護(hù)欄，以達(dá)到避免或減輕車流對(duì)撞事故的效果。經(jīng)研究及實(shí)地設(shè)置在公路的比較資料顯示，效果極為良好。美國(guó)聯(lián)邦高速公路總署（Federal Highway Administration，F(xiàn)HWA）由五十個(gè)州的應(yīng)用與試驗(yàn)得到以下結(jié)論：“由試驗(yàn)與經(jīng)驗(yàn)顯示，雙傾斜面混凝土護(hù)欄的性能明顯優(yōu)于其他型式護(hù)欄”。

紐澤西州是美國(guó)最先使用此種混凝土護(hù)欄的，因此工程界以紐澤西混凝土護(hù)欄通稱，圖1為其橫斷面示意圖。該州曾在1949年以車禍統(tǒng)計(jì)方式統(tǒng)計(jì)其使用成效，在某一交通量每天高達(dá)60000～70000的公路上，未裝設(shè)該護(hù)欄之前三年內(nèi)有11人死于對(duì)撞車禍;裝設(shè)后，再無對(duì)撞事故死亡事件發(fā)生?？梢姶朔N混凝土護(hù)欄完全隔離區(qū)分對(duì)向車流的效果極佳，可有效避免相鄰對(duì)向車流產(chǎn)生對(duì)撞事故。

美國(guó)加州（California）是美國(guó)最先采用混凝土護(hù)欄之一州（1946年），但當(dāng)時(shí)僅是單純考量以堅(jiān)硬耐撞的混凝土連續(xù)塊狀結(jié)構(gòu)取代早期木制護(hù)欄。當(dāng)紐澤西混凝土護(hù)欄知名度大增，攔阻與導(dǎo)正車輛功效倍受肯定后，該州于1957年也開始針對(duì)紐澤西混凝土護(hù)欄進(jìn)行一連串試驗(yàn)，并得出結(jié)論：此種護(hù)欄為相當(dāng)理想的狹窄型分向島，能有效改變碰撞車輛的前進(jìn)方向，車輛爬升后會(huì)因?yàn)橹亓﹃P(guān)系下滑至路面而不致受損或受損極小，僅在護(hù)欄側(cè)留下輪胎擦痕，而護(hù)欄本身不受損。此種護(hù)欄比以往使用的金屬護(hù)欄可節(jié)省相當(dāng)可觀的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，混凝土護(hù)欄不易因車輛撞擊而破壞毀損，但金屬護(hù)欄易被撞凹損且易銹蝕（例如未熱浸鍍鋅處理的），修復(fù)成本高。

（二）力學(xué)考量重點(diǎn)在于充分利用能量轉(zhuǎn)換原理

紐澤西混凝土護(hù)欄的設(shè)計(jì)內(nèi)涵在于充分利用能量轉(zhuǎn)換原理（Energy Transformation Theory），即將高速行進(jìn)車輛造成的沖擊能量（Impact Energy）經(jīng)由護(hù)欄傾斜面轉(zhuǎn)換為位能（Potential Energy），進(jìn)而有效降低事故嚴(yán)重性，車輛外殼板金可能有毀損，但是車內(nèi)乘員承受的沖擊力將大為減低。

整體而言，紐澤西混凝土護(hù)欄的特殊功能可歸納如下：

體積、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與重量都非常大的混凝土護(hù)欄可有效在極短時(shí)間內(nèi)承受車輛撞擊能量，而護(hù)欄本身不至于破裂毀損。

混凝土護(hù)欄面向行車道的兩個(gè)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(yán)重性。

在某撞擊角度內(nèi)前提下，發(fā)生撞擊車輛產(chǎn)生的沖擊能量能被有效轉(zhuǎn)換成位能。車輛雖因高速?zèng)_擊護(hù)欄而沿傾斜面爬升，但是車輛也因本身重力的原因，可由護(hù)欄傾斜面下滑至路面，車輛還有較大機(jī)會(huì)可安全返回原來行車路徑，即此種護(hù)欄具有導(dǎo)向功能。

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

紐澤西混凝土護(hù)欄底部3英寸（7.5cm）垂直面主要目的在于提供護(hù)欄與路面間的清晰界面，同時(shí)兼具吸收鋪面刨除重鋪時(shí)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(yīng)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(shí)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?yàn)檐囕v重量，車輛最終須沿著傾斜面下滑至路面。當(dāng)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(shí)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(duì)輪胎而言十分光滑，因此車輪繼續(xù)爬升的機(jī)會(huì)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(hù)欄可完全阻止車流跨越至對(duì)向車道而發(fā)生與其他車輛對(duì)撞的理論依據(jù)。

臺(tái)灣地區(qū)采用的紐澤西混凝土護(hù)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(duì)紐澤西混凝土護(hù)欄耐撞、原始車輛撞擊能量轉(zhuǎn)換為位能的功能應(yīng)無影響或僅些微影響。

某些情況下，為了達(dá)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(nèi)側(cè)（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(hù)欄底部垂直面同高，以免妨礙甚至破壞紐澤西混凝土護(hù)欄的正常功能（見圖3）。

二、衍生的其他型式護(hù)欄

（一）F型混凝土護(hù)欄

紐澤西混凝土護(hù)欄研發(fā)采用的原始尺寸參考GM Type Barrier而來（圖4（a）GM是美國(guó)通用汽車General M0tor的簡(jiǎn)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(hù)欄最重要設(shè)計(jì)參數(shù)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(zhuǎn)折點(diǎn)與護(hù)欄底部垂直面頂點(diǎn)的距離。當(dāng)車輛以某一沖擊角度側(cè)向高速撞擊紐澤西混凝土護(hù)欄后，車輛前輪會(huì)急速接觸護(hù)欄垂直面，然后緊貼下傾斜面快速爬升，當(dāng)爬升高度越高，隨著小汽車高速繼續(xù)前進(jìn)，車輛側(cè)傾（輪胎撞擊護(hù)欄一側(cè)高，另一側(cè)低）程度劇增，其往路面?zhèn)确▋?nèi)翻）的機(jī)會(huì)越大。

基于此，美國(guó)聯(lián)邦高速公路總署（Federal Highway Administration，F(xiàn)HWA）又主導(dǎo)進(jìn)行原紐澤西混凝土護(hù)欄斷面研究改良，將上、下兩傾斜面轉(zhuǎn)折點(diǎn)離護(hù)欄底部垂直面頂點(diǎn)距離由10″（25.5cm）與7″（18cm）等尺寸，制造編號(hào)A至F的各式預(yù)鑄混凝土護(hù)欄，然后進(jìn)行一系列實(shí)車撞擊試驗(yàn)，最后確定編號(hào)F的效果最佳，因此工程界稱為“F型混凝土護(hù)欄”，簡(jiǎn)稱F型護(hù)欄（F-shape Concrete Barrier），圖4c為其橫斷面。

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

（二）單斜率型混凝土護(hù)欄

傳統(tǒng)紐澤西混凝土護(hù)欄與后續(xù)研究改良F型混凝土護(hù)欄都有三個(gè)斜率的表面，即高度7.5cm底部垂直面與傾斜角55°、84°斜面。當(dāng)?shù)缆窞r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(hù)欄迎撞面撞擊吸能、緩沖機(jī)制。因此有些道路主管部門（例如美國(guó)德州、澳洲）索性將多斜率表面改為單斜率型混凝土護(hù)欄，圖5b為典型例，此斷面由美國(guó)德州運(yùn)輸局（Texas Department of Transportation，TX DOT）開發(fā)定案。

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

（三）混凝土、鋼管組合式護(hù)欄

混凝土、鋼管組合式路側(cè)護(hù)欄指護(hù)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(hù)欄典型例。

鋼管護(hù)欄下方混凝土基座應(yīng)具有連續(xù)性，即使為了路面橫向排水效率，其開口也應(yīng)僅局限于基座下方，不得破壞混凝土基座連續(xù)性，圖7為典型錯(cuò)誤例。完全斷開的混凝土基座對(duì)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(yīng)”（Tire Snagging），即駛離行車道的車輛一旦撞擊此開口，輪胎易塞進(jìn)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(cè)翻，衍生嚴(yán)重道路交通事故。

圖8也是極為錯(cuò)誤的例子，凡是采用鋼管護(hù)欄時(shí)，鋼管表面必須比混凝土基座更靠近路面，因?yàn)楫?dāng)車輛撞擊此種護(hù)欄時(shí)，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(yīng)”。

三、混凝土護(hù)欄攔阻功能的發(fā)揮受坡面與高度綜合影響

任何型式的混凝土護(hù)欄迎撞面受車輛撞擊時(shí)能否發(fā)揮預(yù)期攔阻功能，主要取決于三大重點(diǎn)，即“三度”：

單位長(zhǎng)度混凝土護(hù)欄的“勁度”，或稱“結(jié)構(gòu)強(qiáng)度”。

混凝土護(hù)欄面對(duì)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(hù)欄存在差異，通稱為“坡面”。

混凝土護(hù)欄高度。高度不足，車輛撞擊護(hù)欄時(shí)，跨騎（Overriding）與往護(hù)欄外翻覆（外翻）的機(jī)會(huì)大增。

（一）護(hù)欄結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最基本要求是當(dāng)車輛撞擊護(hù)欄時(shí)，混凝土護(hù)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(hù)欄。

為保證混凝土護(hù)欄能夠承受車輛撞擊，工程實(shí)務(wù)上都以“降伏線破壞分析”（Yield Line Failure Analysis）理論作為基礎(chǔ)，保證混凝土護(hù)欄極限強(qiáng)度（Ultimate Strength）可承受車輛側(cè)向沖擊力（Lateral Impact Forces），此理論在混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)分析中已被證實(shí)可行且已廣泛應(yīng)用于各式混凝土護(hù)欄的撞擊能力分析中，例如美國(guó)《公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（AASHTO）中橋梁混凝土護(hù)欄設(shè)計(jì)都是依托于此理論。

除了混凝土本身具備合格抗壓強(qiáng)度外，混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)中一定有數(shù)量足夠且抗拉強(qiáng)度、握裹強(qiáng)度（Bonding Strength）都符合規(guī)范要求的竹節(jié)鋼筋，加上降伏線破壞分析理論已極成熟，因此道路工程實(shí)務(wù)中，除非情況特殊，混凝土護(hù)欄受車輛撞擊時(shí)，護(hù)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(hù)欄幾乎不可能發(fā)生。圖9是不合理橋梁混凝土護(hù)欄損壞模式，縱橫雙向鋼筋的布設(shè)明顯不足。

（二）護(hù)欄坡面

圖10為四種不同坡面的混凝土護(hù)欄，圖10（a）是道路工程界最早期采用的直壁式混凝土護(hù)欄，迎撞面與路面垂直。在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與高度良好的前提下，這種護(hù)欄對(duì)車輛的攔阻能力最強(qiáng)。同時(shí)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(hù)欄迎撞面接觸時(shí)間最短，但此種護(hù)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(jī)制，車輛撞擊時(shí)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(duì)車內(nèi)駕乘人員傷害越大，因此高、快速公路絕不可設(shè)置直壁式混凝土護(hù)欄。

與直壁式混凝土護(hù)欄比較，斜坡面混凝土護(hù)欄可延長(zhǎng)撞擊歷程時(shí)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(hù)欄具有明顯的緩沖、吸能效果。混凝土護(hù)欄斜坡值背后有其實(shí)質(zhì)意義，這些坡度是經(jīng)過一系列理論分析與實(shí)車撞擊試驗(yàn)得知的結(jié)果，因此其吸能、緩沖效果毋庸置疑。

（三）護(hù)欄高度

傳統(tǒng)紐澤西混凝土護(hù)欄、F型混凝土護(hù)欄原始高度都為82cm（32英寸），但在迎撞面不改變的前提下，護(hù)欄底座寬度與護(hù)欄高度可根據(jù)設(shè)計(jì)所需調(diào)整，其高度可與單斜率型混凝土護(hù)欄高度一致，即將原82cm（32英寸）調(diào)高至107cm（42英寸）。

圖11是當(dāng)車輛以高速撞擊混凝土護(hù)欄迎撞面時(shí)，可能發(fā)生的車輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（通稱Vehicle responses），為三度空間動(dòng)態(tài)：彈跳（Heave），針對(duì)車輛行進(jìn)方向上方垂直向，易造成車輛搖擺（Yaw）現(xiàn)象，車速越快，車頭彈跳越高，車輛搖擺程度越復(fù)雜。波動(dòng)（Surge），車輛撞擊后在行進(jìn)方向的不穩(wěn)定行為，可能導(dǎo)致車輛左右兩側(cè)有明顯高低差，甚至快速翻轉(zhuǎn)（Roll）。側(cè)移（Sway），由車輛撞擊護(hù)欄造成的側(cè)向反彈力所導(dǎo)致，可能導(dǎo)致車輛騰空而被拋飛（Pitch）。

當(dāng)車輛撞擊護(hù)欄發(fā)生彈跳現(xiàn)象時(shí)，速度越快，沖擊能量越高，彈跳高度也越高，此時(shí)若護(hù)欄高度不足，則車輛可能騎跨護(hù)欄上，甚至翻覆于護(hù)欄外。

混凝土護(hù)欄立面不可太低，因其可能無法發(fā)揮攔阻車輛的功能，但也不宜過高，徒增工程費(fèi)用，甚至有礙景觀美感與妨礙視距。一般來說，結(jié)合設(shè)計(jì)功能所需與考量設(shè)計(jì)車輛及護(hù)欄防撞等級(jí)，合適的混凝土護(hù)欄高度通?？蓞⒖加泄帕Φ脑O(shè)計(jì)規(guī)范來決定。

需要注意，前述車輛撞擊護(hù)欄后的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)僅針對(duì)車輛撞擊混凝土護(hù)欄面對(duì)行車道的迎撞面而言。

四、剛性護(hù)欄特性及適用性

從護(hù)欄單位長(zhǎng)度的結(jié)構(gòu)勁度而言，前述紐澤西混凝土護(hù)欄、F型混凝土護(hù)欄及單斜率型混凝土護(hù)欄都屬于剛性護(hù)欄（Rigid Barrier）。

（一）剛性護(hù)欄優(yōu)缺點(diǎn)

剛性護(hù)欄具有特定的斷面形式，單位長(zhǎng)度重量大，受車輛撞擊時(shí)不至于發(fā)生明顯變形，最常見為混凝土制，如前述各種連續(xù)墻式結(jié)構(gòu)的鋼筋混凝土護(hù)欄，適合于場(chǎng)鑄（Cast-in-Place）、預(yù)鑄（Precast）吊裝與現(xiàn)場(chǎng)扣件（例如Pin and Loop）相互連接。主要存在以下優(yōu)缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：剛性護(hù)欄對(duì)防止車輛駛出路外、防止對(duì)向車流產(chǎn)生正面對(duì)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(zhǎng)期而言，其養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用極低，符合生命周期成本最小化的理念。

缺點(diǎn)：當(dāng)車輛與剛性護(hù)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(duì)車輛與乘客的傷害越嚴(yán)重。此外，連續(xù)墻式剛性混凝土結(jié)構(gòu)可能造成路面橫向排水功能不佳，且視線通透性較差，對(duì)道路整體景觀較易有負(fù)面影響，對(duì)長(zhǎng)途駕駛?cè)说男睦韷浩雀休^大。

（二）剛性護(hù)欄適用性

剛性混凝土護(hù)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(qū)道路幾何線形復(fù)雜路段外側(cè)，或路側(cè)為懸崖深溝等車輛駛出易有嚴(yán)重事故路段，不過山區(qū)道路雨量較大，山區(qū)道路的排水功能不得因設(shè)置剛性混凝土護(hù)欄而受影響。

剛性混凝土護(hù)欄景觀性與環(huán)境協(xié)調(diào)性較差，強(qiáng)調(diào)景觀功能與環(huán)境和諧的道路應(yīng)謹(jǐn)慎采用。此外，剛性混凝土護(hù)欄易阻礙積雪清除，易下雪地區(qū)宜避免采用。

不論是早期研發(fā)的紐澤西混凝土護(hù)欄，還是較晚新研發(fā)的F型混凝土護(hù)欄或單斜率型混凝土護(hù)欄，其原始開發(fā)適用對(duì)象都是針對(duì)四輪或以上機(jī)動(dòng)車，因此其對(duì)僅有前后雙輪的摩托車防護(hù)效果較為有限，尤其對(duì)快速?zèng)_撞護(hù)欄的摩托車并無實(shí)質(zhì)攔阻功用。其主要原因是摩托車撞擊混凝土護(hù)欄時(shí)，摩托車雖可被攔下，但因車速驟減，駕駛?cè)藰O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(duì)輕微。