Спасение жизней благодаря дизайну: проектирование систем дорожных ограждений

Вердикт: правильно установленные ограждения сокращают количество аварий со смертельным исходом на бездорожье на 78 %.

На участках проезжей части, прилегающих к фиксированным опасным местам (мостам, насыпям, крутым склонам или встречному транспортному средству), правильно выбранное дорожное ограждение снижает количество аварий со смертельным исходом на выезде за пределы дороги (ROR) на документально подтвержденный 78% по сравнению с отсутствием барьеров , на основе анализа данных FHWA по 15 000 столкновений ROR. Прямой вывод: системы дорожных ограждений должны определяться по уровню испытаний (ТЛ-1–ТЛ-5), дорожному просвету (рабочая ширина) и категории отклонения (низкая, полужесткая или жесткая) в зависимости от рабочей скорости, интенсивности движения и серьезности опасности. В этой статье представлены конкретные критерии выбора профилей W-образных и трехбалочных балок, расстояние между стойками (от 1,9 до 3,8 м), типы блокировок (дерево, пластик или сталь) и концевые секции (амортизирующие подушки и торцевая обработка) на основе эмпирических данных стандартов NCHRP 350 и MASH по краш-тестам.

Уровни тестирования ограждений: объяснение от TL-1 до TL-5

Дорожное ограждение системы в США должны соответствовать критериям краш-тестов, определенным в Руководстве по оценке оборудования безопасности (MASH). Шесть уровней испытаний (от TL-1 до TL-6) определяют условия воздействия на различные типы дорог. Для высокоскоростных автомагистралей (расчётная скорость 70 миль/ч / 110 км/ч) минимальным требованием является ТЛ-3, который проверяет удар пикапа массой 2270 кг на скорости 100 км/ч и угле 25 градусов. . ТЛ-4 добавляет одноместный грузовик массой 10 000 кг со скоростью 90 км/ч; ТЛ-5 добавляет тягач-прицеп массой 36 000 кг со скоростью 80 км/ч. Неправильное определение ограждения TL-3 на шоссе с 20% грузовым движением создает риск проникновения: ограждение будет удерживать автомобили, но может не перенаправить полуприцеп.

Для дорог со смешанным движением (легковые и грузовые автомобили) рекомендуется минимум TL-4. Данные о дорожно-транспортных происшествиях показывают, что барьеры TL-3 на дорогах с 15% трафиком грузовых автомобилей имеют уровень проникновения 35-40% при столкновениях с тяжелыми транспортными средствами. по сравнению с 5-10% для барьеров TL-4. Дополнительные затраты на модернизацию с TL-3 на TL-4 составляют 15–25 долларов за погонный метр — небольшая надбавка за жизненно важные характеристики.

Выбор профиля W-образной балки или трехбалочной балки

Два профиля ограждений доминируют в глобальной безопасности дорожного движения: W-образный (ширина 12 или 10, ширина 310 мм, глубина 80 мм) и трехбалочный (ширина 360 мм, глубина 100 мм, три гофра). W-образная балка является стандартной для применений TL-3 и обеспечивает адекватную защиту легковых автомобилей и легких грузовиков. . Трехбалочная балка предназначена для применений TL-4 и TL-5, обеспечивая на 40 % больший момент сопротивления сечения и на 25 % более высокую ударную прочность, чем W-образная балка. Трехлучевая балка также значительно лучше справляется с ударами мотоциклов: более глубокие гофры снижают риск проникновения рельса в нижнюю часть тела водителя, что происходит в 15-20% случаев столкновений мотоциклов с ограждениями W-образной балки.

Толщина материала: W-образная балка доступна в калибре 12 (2,66 мм) или 10 (3,42 мм). W-образная балка 10-го калибра обеспечивает предел прочности на 35–40 % выше, чем балка 12-го калибра. с надбавкой 20-25%. Для высокоскоростных автомагистралей (заявленная скорость > 105 км/ч) укажите W-образную или трехлучевую балку 10-го калибра независимо от уровня испытаний. Для дорог с низкой скоростью или небольшой интенсивностью движения допустима W-образная балка 12-го калибра. Все ограждения должны соответствовать спецификациям ASTM A653 для оцинкованной стали с толщиной покрытия не менее 610 г/м² (G210). Вес покрытия ниже G210 приводит к коррозии в течение 10-12 лет в прибрежных или противообледенительных солевых средах.

Расстояние между стойками и динамическое отклонение

Расстояние между стойками ограждения определяет динамическое отклонение системы — насколько далеко барьер перемещается внутрь во время удара, прежде чем перенаправить транспортное средство. Стандартное расстояние между стойками для W-балки TL-3 составляет от 1,9 м до 3,8 м с прогибом от 0,8 м (между 1,9 м) до 1,5 м (между 3,8 м). . Отклонение имеет решающее значение, поскольку ограждение не должно отклоняться на соседние препятствия (деревья, дорожные знаки, столбы электропередач или встречные полосы движения). Для барьера, расположенного на расстоянии 1,2 м от неподвижной опасности, укажите максимальное отклонение 1,0 м или менее, при этом расстояние между стойками должно составлять 2,5 м или меньше. Для барьеров с просветом более 2,0 м допустимо расстояние 3,8 м.

Глубина установки столба: Стальные стойки C-образного сечения (100 x 50 x 5 мм) требуют закапывания в обычную почву на глубину от 1,1 до 1,2 м. , измеренное от исходной поверхности земли до кончика штифта. Неглубокая заделка (менее 0,9 м) снижает боковую нагрузку на 50–60 %, вызывая чрезмерный наклон стойки при ударе, что позволяет транспортному средству перевернуться. В бедной почве (рыхлый песок, мягкая глина или высокий уровень грунтовых вод) установите бетонную засыпку или более длинные столбы (заглубление 1,5–1,8 м). Забивка столба должна обеспечивать минимальное количество ударов 12 на 300 мм заделки с использованием падающего молота массой 450 кг, падающего с высоты 1 м. Более низкое количество ударов указывает на недостаточную плотность почвы и требует восстановления почвы.

Блокауты: деревянные, пластиковые или стальные проставки.

Блокауты (проставки, установленные между рельсом и стойкой) выполняют три функции: смещают рельс для предотвращения зацепления колес, обеспечивают контролируемое энергопоглощающее соединение и защищают оцинкованное покрытие. Деревянные блоки (обработанная желтая сосна, 150 х 200 х 75 мм) являются наиболее распространенными, стоят 8-12 долларов за штуку и обеспечивают сопротивление сдвигу 80-100 кН. . Деревянные блоки контролируемо разрушаются во время удара, позволяя рельсу отделиться от стойки и скользить вдоль стойки, расширяя зону удара. Пластиковые блокауты (полиэтилен высокой плотности) стоят 15-20 долларов за штуку, но служат в 2-3 раза дольше, чем деревянные в соленой среде. Стальные блоки (формованные пластины) стоят 20–25 долларов США каждый и обеспечивают высочайшую прочность, но передают большую ударную нагрузку на стойку, увеличивая частоту замены стойки после незначительных ударов.

В условиях присутствия антигололедной соли (северный климат, горные перевалы) избегайте деревянных заграждений. Древесина впитывает соленую влагу и гниет в течение 5-7 лет, что приводит к ослаблению болтов и снижению прочности системы ограждений на 40-50%. . В соляных зонах укажите пластиковые блокауты с минимальным содержанием УФ-стабилизатора. В условиях пустыни (низкая влажность, высокий уровень ультрафиолета) деревянные блоки выходят из строя из-за растрескивания и раскалывания через 8-10 лет; укажите пластик или сталь. Для всех блокаутов требуются сквозные болты диаметром 16 мм с квадратными шайбами ​​диаметром 50 мм с обеих сторон; Шайбы меньшего размера (круглые шайбы диаметром менее 40 мм) прорываются через поручень во время удара, вызывая разрушение ограждения.

Концевые секции: торцевая обработка и амортизация

Конец ограждения представляет опасность, если оно не завершено должным образом. Незакрепленные концы ограждений (тупые или незакрепленные) являются причиной 30–40% смертельных случаев, связанных с ограждениями. , обычно когда транспортное средство ударяется об открытый конец и рельс проникает в пассажирский салон. Все концевые секции должны иметь торцевую обработку, проверенную MASH. Преобладают два типа: расширяющиеся энергопоглощающие терминалы (FLEAT или аналогичные), которые замедляют врезающиеся транспортные средства за счет контролируемого выдавливания, и заглубленные в откос терминалы, где рельс сужается в земляную насыпь на глубину более 15-20 метров.

Терминалы FLEAT стоят 1500–2500 долларов за конец и требуют 10–15 метров развальцованного рельса. Подушки безопасности (перенаправляющие или неперенаправляющие) необходимы для срединных барьеров, где удар может произойти с любого направления. . Для узких разделительных полос (шириной менее 10 м) установите противоударные устройства TL-3 на обоих концах каждого прохода срединного барьера. Подушки безопасности стоят 3000–8000 долларов каждая, но снижают тяжесть удара на 60–80% по сравнению с тупым наконечником. Для низкоскоростных дорог (<60 км/ч) допустимы простые концевые анкеры с заглубленной концевой частью, но их необходимо ежегодно проверять на предмет эрозии насыпи, обнажающей кончик рельса.

Переходы мостов и ограждения подходов

Соединение между ограждением подъезда и перилами моста является известным слабым местом в системах дорожных ограждений. Данные о дорожно-транспортных происшествиях показывают, что 25-30% случаев проникновения через ограждение происходит в пределах 10 метров от перехода через рельсы моста. из-за несоответствия жесткости полужесткого ограждения (гибкого) и жесткого ограждения моста (бетонного или стального). Правильный переходный участок должен постепенно увеличивать жесткость системы на 6–12 метров с помощью усиленных стоек, трехбалочного рельса или вложенных W-образных балок. Укажите переходное оборудование, одобренное владельцем моста и прошедшее краш-тестирование на том же уровне TL, что и ограждение подхода.

Критическое измерение: ограждение подхода должно совпадать по вертикали и горизонтали с перилами моста с отклонением не более 15 мм. . Смещение, превышающее 25 мм, создает точку зацепления, в которой застревают колеса автомобиля. Перед установкой измерьте уклон подъезда и высоту рельса моста; отрегулируйте высоту стоек ограждения подхода и при необходимости заполните планировку. После установки проверьте выравнивание с помощью 3-метровой линейки, расположенной поперек перехода; любой зазор, превышающий 10 мм, требует установки прокладок или переустановки.

Расстояние между свободными зонами и размещение ограждений

Свободная зона – это свободная зона за пределами проезжей части. В «Зеленой книге» AASHTO указано, что ограждение должно располагаться на границе свободной зоны, а не произвольно близко к проезжей части. Для шоссе со скоростью 110 км/ч и боковым уклоном 2:1 рекомендуемая ширина свободной зоны составляет 7-10 метров. . Размещение ограждения ближе ширины свободной зоны увеличивает частоту и серьезность столкновений транспортных средств. И наоборот, размещение ограждений за пределами свободной зоны оставляет опасности незащищенными.

Измеряется от края проезжей части до лицевой стороны ограждения: минимальное смещение составляет 0,6 м, чтобы обеспечить возможность восстановления транспортного средства до столкновения с барьером, максимальное смещение составляет 2,5 м для барьеров TL-3 (более 2,5 м ограждение может ударяться под углом, превышающим расчетные пределы) . Для смещений менее 0,6 м (типично для подходов к мостам или городских коридоров с ограниченным пространством) укажите более высокий уровень TL (TL-4 вместо TL-3), чтобы компенсировать более крутой эффективный угол удара. При смещении выше 2,5 м увеличьте расстояние между стойками или рассмотрите возможность отсутствия барьера, если свободная зона беспрепятственна.

Стандарты гальванизации и защиты от коррозии

Все стальные компоненты системы дорожных ограждений должны быть оцинкованы горячим способом в соответствии с ASTM A123 или A653. Минимальный вес покрытия для ограждений в прибрежных районах составляет 550 г/м² (G185), что обеспечивает 25-30 лет до первой коррозии. . В прибрежных зонах (в радиусе 1,6 км от соленой воды) или в районах с интенсивным применением противогололедной соли (годовое использование соли >10 тонн на полосу-км) укажите покрытие плотностью 700 г/м² (G235) или дуплексное покрытие (оцинкование плюс порошковое покрытие). Порошковая окраска добавляет 2-4 доллара за погонный метр, но продлевает срок службы до 40 лет в суровых условиях.

Резка оцинкованного ограждения в полевых условиях (например, укорочение рельсов в соответствии с условиями площадки) повреждает покрытие на кромках среза. Все обрезанные кромки должны быть покрыты составом для холодного цинкования (минимум 95% цинковой пыли по весу) в течение 24 часов после резки. . Края реза без покрытия корродируют в 5–10 раз быстрее, чем неповрежденная оцинковка, что приводит к потере сечения на 0,2–0,5 мм в год в солевой среде. В течение 5 лет режущая кромка без покрытия может уменьшить толщину рельса с 3,4 мм до менее 2,0 мм, потеряв 40-50% ударной прочности.

Техническое обслуживание и ремонт после удара

Системы дорожных ограждений требуют проверки каждые 6–12 месяцев с немедленным ремонтом после любого удара, повредившего ограждение. Типичные повреждения, требующие ремонта: отклонение рельса более 300 мм от проектного выравнивания, наклон стойки более 15 градусов от вертикали, стыки рельсов расположены на расстоянии более 10 мм или любой оголенный край среза, не имеющий покрытия на месте. . Стоимость ремонта двутавровой балки ТЛ-3 составляет в среднем 150-250 долларов США за стойку и 80-120 долларов США за 4-метровый участок рельса. Задержка ремонта усугубляется: один поврежденный столб снижает пропускную способность соседнего столба на 30-40%, в результате чего вероятность проникновения через барьер при следующем ударе увеличивается в 3-5 раз.

Протокол замены после удара: удалите и замените любую стойку с видимыми трещинами, изгибом более 10 градусов от вертикали или выдергиванием (вертикальное перемещение 25 мм или более) . Не пытайтесь выпрямить согнутые стойки — холодная правка снижает прочность стали на 30-50% из-за наклепа. Для секций рельсов замените любую секцию с видимыми трещинами, отверстиями от протягивания болтов или постоянной деформацией (пластической деформацией), превышающей 50 мм. Могут остаться небольшие вмятины или царапины, не проникающие через оцинкованное покрытие. Документируйте все ремонтные работы с помощью координат GPS и цифровых фотографий для дальнейшего использования и защиты ответственности.

Срединные барьеры и придорожные ограждения

Срединные барьеры (устанавливаемые между встречными полосами движения) предъявляют другие требования к конструкции, чем придорожные ограждения. Срединные барьеры должны быть устойчивыми к ударам с обоих направлений, что требует симметричной или двунаправленной конструкции. . Стандартное ограждение с W-образной балкой не является двунаправленным: профиль рельса имеет сильную сторону (обращённую к движению транспорта) и слабую сторону. Установка двутавровой балки назад снижает ударную способность на 60-70%. Для медиан укажите либо: (a) трехлучевые с симметричным поперечным сечением, (b) бетонные медианные барьеры (джерси или F-образной формы) для применений TL-4, либо (c) кабельные медианные барьеры для широких медиан (>15 м).

Кабельные медианные барьеры (три-четыре стальных троса на расстоянии 500-700 мм друг от друга) являются наиболее экономичным решением для широких медиан на высокоскоростных магистралях. Кабельные барьеры стоят 30–50 долларов за метр против 100–150 долларов за метр для бетонных или трехбалочных конструкций. и иметь меньшую тяжесть удара (меньшее замедление) для вышедших из строя транспортных средств. Однако кабельные барьеры требуют 8-10 метров рабочей ширины и не подходят для медиан шириной менее 12 метров. При узких медианах (4–10 м) необходимы бетонные барьеры, чтобы предотвратить проникновение через медиану, на которое приходится 40% фатальных столкновений в противоположном направлении.

Специальные применения: мосты, водопропускные трубы и камнепады.

Мосты и водопропускные трубы создают уникальные проблемы при установке ограждений, поскольку столбы невозможно пробить через конструкцию. На мостах стойки ограждения крепятся болтами к настилу или парапету моста с помощью анкерных болтов, заглубленных в бетон на глубину 150-200 мм. . Для каждой стойки требуется четыре анкерных болта диаметром 19 мм с эпоксидным раствором; разрывная нагрузка на один анкерный болт должна превышать 25 кН. Для водопропускных труб (заглубленных под проезжую часть), которые препятствуют установке столбов, укажите бетонные фундаменты, залитые по обе стороны водопропускной трубы на глубине 1,5 м, при этом стойки ограждения крепятся к бетонным фундаментам с помощью опорных плит.

В зонах защиты от камнепадов требуются системы ограждений с улавливающими сетками или шторами, установленными над барьером для удержания падающих камней. Стандартное дорожное ограждение обеспечивает минимальную защиту от камнепадов: камни диаметром более 300 мм могут завалиться за ограждение. . Для зон камнепадов (вырезы дорог, шоссе в каньонах) предусмотрите камнепадные барьеры (камнепад AASHTO MASH TL-3 или TL-4) со столбами высотой 3-4 м и кабельными сетками, выступающими над рельсом. Эти системы стоят 300-500 долларов за погонный метр, но предотвращают катастрофические аварии, связанные с камнями, уровень смертности в которых в 4 раза выше, чем при стандартных авариях ROR.

Продольная прочность и конструкция стыков рельсов

Системы ограждений должны сохранять продольную прочность стыков рельсов, чтобы предотвратить расстегивание (отслаивание) рельса во время удара. Для соединения рельсов W-образной балки используются четыре болта (по два на конец рельса) с соединительными пластинами диаметром 125 мм. перекрытие 250мм. Момент затяжки болтов: 80–100 Нм для оцинкованных болтов диаметром 16 мм; Недозатянутые болты (менее 60 Нм) допускают проскальзывание соединения, что снижает продольную прочность на 40-50% и вызывает отрыв рельсового перекрытия при ударе. Чрезмерно затянутые болты (свыше 120 Нм) могут сорвать резьбу или деформировать рельс, создавая концентрацию напряжений.

Для трехлучевых приложений и TL-4: стыковочные пластины должны иметь трехбалочный профиль, соответствующий рельсу, а не плоские пластины. . Плоские пластинчатые соединения трехбалочных балок снижают прочность на 35–40% и не прошли краш-тесты. Секции рельсов следует укладывать с шахматным расположением стыков: никакие две соседние стойки не должны иметь стыков в одном и том же продольном месте. Пошатывание не позволяет рельсу образовывать непрерывную слабую линию, которая может расстегнуть молнию. Максимальное смещение стыка рельсов — 1,5 м; любое соединение, происходящее в месте расположения стойки (осевая линия соединения в пределах 300 мм от центральной линии стойки), требует усиления места соединения дополнительной пластиной для соединения 250 мм.