Cứu mạng sống bằng thiết kế: Kỹ thuật hệ thống lan can đường

Phán quyết: Các lan can được chỉ định phù hợp giúp giảm 78% các vụ va chạm chết người trên đường địa hình

Đối với các đoạn đường tiếp giáp với các mối nguy hiểm cố định (cầu, bờ kè, sườn dốc hoặc phương tiện giao thông ngược chiều), lan can bảo vệ đường được lựa chọn phù hợp sẽ giảm tỷ lệ va chạm chết người trên đường chạy địa hình (ROR) bằng được ghi nhận là 78% so với không có rào cản , dựa trên phân tích dữ liệu va chạm của FHWA trong số 15.000 vụ va chạm ROR. Kết luận trực tiếp: hệ thống lan can đường phải được chỉ định theo cấp độ thử nghiệm (TL-1 đến TL-5), khoảng cách thông thoáng (chiều rộng làm việc) và loại độ lệch (thấp, bán cứng hoặc cứng) dựa trên tốc độ vận hành, lưu lượng giao thông và mức độ nghiêm trọng của mối nguy hiểm. Bài viết này cung cấp các tiêu chí lựa chọn cụ thể cho biên dạng dầm chữ W và ba dầm, khoảng cách trụ (1,9m đến 3,8m), loại chặn (gỗ, nhựa hoặc thép) và phần đầu cuối (đệm va chạm và xử lý cuối) dựa trên dữ liệu thực nghiệm từ các tiêu chuẩn thử nghiệm va chạm NCHRP 350 và MASH.

Cấp độ kiểm tra lan can: Giải thích TL-1 đến TL-5

Lan can đường các hệ thống ở Hoa Kỳ phải đáp ứng các tiêu chí kiểm tra va chạm được xác định trong Hướng dẫn đánh giá phần cứng an toàn (MASH). Sáu cấp độ kiểm tra (TL-1 đến TL-6) chỉ định các điều kiện va chạm cho các loại đường khác nhau. Đối với đường cao tốc tốc độ cao (tốc độ thiết kế 70 mph / 110 km/h), yêu cầu tối thiểu là TL-3, thử nghiệm tác động của xe bán tải nặng 2.270 kg ở tốc độ 100 km/h và góc 25 độ . TL-4 bổ sung xe tải nguyên khối 10.000 kg với tốc độ 90 km/h; TL-5 bổ sung thêm đầu kéo rơ-moóc nặng 36.000 kg với tốc độ 80 km/h. Việc xác định sai lan can bảo vệ TL-3 trên đường cao tốc với 20% lưu lượng xe tải sẽ tạo ra nguy cơ xâm nhập—rào chắn sẽ chứa ô tô nhưng có thể không chuyển hướng được sơ mi rơ moóc.

Đối với đường có nhiều phương tiện giao thông hỗn hợp (ô tô và xe tải), khuyến nghị mức tối thiểu là TL-4. Dữ liệu vụ va chạm cho thấy các rào chắn TL-3 trên đường với 15% lưu lượng xe tải có tỷ lệ xuyên qua 35-40% đối với các tác động của xe hạng nặng , so với 5-10% đối với rào cản TL-4. Chi phí gia tăng khi nâng cấp từ TL-3 lên TL-4 là 15-25 USD cho mỗi mét tuyến tính—một khoản phí bảo hiểm nhỏ để có được hiệu suất cứu mạng.

Lựa chọn cấu hình W-Beam so với Thrie-Beam

Hai cấu hình lan can chiếm ưu thế về an toàn đường bộ trên toàn cầu: dầm chữ W (cỡ 12 hoặc 10 khổ, chiều rộng 310 mm, chiều sâu 80 mm) và dầm ba (chiều rộng 360 mm, chiều sâu 100 mm, ba nếp gấp). Chùm chữ W là tiêu chuẩn cho các ứng dụng TL-3, cung cấp khả năng ngăn chặn thích hợp cho xe khách và xe tải nhẹ . Ba chùm tia được chỉ định cho các ứng dụng TL-4 và TL-5, cung cấp mô đun tiết diện lớn hơn 40% và khả năng chống va đập cao hơn 25% so với chùm tia W. Chùm tia cũng hoạt động tốt hơn đáng kể trong các tác động của xe mô tô—các nếp gấp sâu hơn làm giảm nguy cơ ray xuyên qua phần thân dưới của người lái, xảy ra trong 15-20% các vụ va chạm giữa xe mô tô với lan can dầm chữ W.

Độ dày vật liệu: Dầm chữ W có sẵn ở dạng 12 thước (2,66mm) hoặc 10 thước (3,42mm). Tia W 10 thước cung cấp cường độ cuối cùng cao hơn 35-40% so với tia 12 thước , với mức phí bảo hiểm 20-25%. Đối với đường cao tốc tốc độ cao (tốc độ công bố > 105 km/h), chỉ định khổ chữ W hoặc tia ba khổ 10 bất kể cấp độ kiểm tra. Đối với đường có tốc độ thấp hoặc lưu lượng xe thấp, có thể chấp nhận tia W 12 khổ. Tất cả các lan can phải đáp ứng thông số kỹ thuật ASTM A653 dành cho thép mạ kẽm với trọng lượng lớp phủ tối thiểu 610 g/m2 (G210). Trọng lượng lớp phủ dưới G210 dẫn đến thủng do ăn mòn trong vòng 10-12 năm ở môi trường ven biển hoặc khử muối.

Khoảng cách bài viết và độ lệch động

Khoảng cách trụ lan can xác định độ lệch động của hệ thống—rào chắn di chuyển vào trong bao xa khi va chạm trước khi chuyển hướng phương tiện. Khoảng cách trụ tiêu chuẩn cho dầm chữ W TL-3 là 1,9m đến 3,8m, với độ lệch từ 0,8m (khoảng cách 1,9m) đến 1,5m (khoảng cách 3,8m) . Độ lệch là rất quan trọng vì lan can không được lệch sang các mối nguy hiểm lân cận (cây cối, cột biển báo, cột điện hoặc làn đường đối diện). Đối với rào chắn đặt cách một chướng ngại vật cố định 1,2m, hãy chỉ định độ lệch tối đa là 1,0m hoặc nhỏ hơn, yêu cầu khoảng cách giữa các cột là 2,5m hoặc chặt hơn. Đối với các rào chắn có khoảng trống >2,0m, khoảng cách 3,8m được chấp nhận.

Độ sâu nhúng bài: Trụ thép tiết diện C (100mm x 50mm x 5 mm) yêu cầu chôn sâu từ 1,1m đến 1,2m trong đất thông thường , được đo từ mặt đất ban đầu đến đầu trụ. Phần chôn nông (dưới 0,9m) làm giảm khả năng chịu lực ngang từ 50-60%, khiến trụ bị nghiêng quá mức khi va chạm, khiến xe bị lật. Ở vùng đất nghèo dinh dưỡng (cát rời, đất sét mềm hoặc mực nước ngầm cao), chỉ định san lấp bằng bê tông hoặc trụ dài hơn (ngập 1,5-1,8m). Sau khi đóng phải đạt được số lần đập tối thiểu là 12 lần trên mỗi độ sâu 300mm bằng cách sử dụng búa thả nặng 450kg rơi từ độ cao 1m—số lần đánh thấp hơn cho thấy mật độ đất không đủ và cần phải xử lý đất.

Chặn: Miếng đệm bằng gỗ, nhựa hoặc thép

Các thanh chặn (miếng đệm được gắn giữa ray và trụ) có ba chức năng: bù vào ray để tránh bị kẹt bánh xe, cung cấp kết nối hấp thụ năng lượng có kiểm soát và bảo vệ lớp phủ mạ kẽm. Các khối gỗ (thông vàng đã qua xử lý, 150mm x 200mm x 75mm) là loại phổ biến nhất, có giá 8-12 USD mỗi khối và cung cấp khả năng chống cắt 80-100 kN . Các khối gỗ không thành công một cách có kiểm soát trong quá trình va chạm, cho phép thanh ray tách khỏi trụ và trượt dọc theo các trụ, mở rộng vùng va chạm. Các tấm chặn bằng nhựa (polyetylen mật độ cao) có giá 15-20 USD mỗi tấm nhưng bền hơn 2-3 lần so với gỗ trong môi trường muối. Các khối thép (tấm định hình) có giá 20-25 USD mỗi tấm và mang lại cường độ cao nhất nhưng truyền nhiều tải trọng tác động hơn tới trụ, tăng tỷ lệ thay thế sau sau những tác động nhỏ.

Đối với những môi trường có muối khử băng (khí hậu phía bắc, đèo núi), tránh chặn gỗ. Gỗ hấp thụ độ ẩm chứa muối và mục nát trong vòng 5 - 7 năm, khiến các bu lông bị lỏng và giảm độ bền của hệ thống lan can từ 40-50% . Ở vùng muối, chỉ định các tấm chắn bằng nhựa có hàm lượng chất ổn định tia cực tím tối thiểu. Trong môi trường sa mạc (độ ẩm thấp, tia cực tím cao), các khối gỗ bị hỏng do nứt và tách sau 8-10 năm; chỉ định nhựa hoặc thép. Tất cả các khối chặn đều yêu cầu bu-lông xuyên 16mm với vòng đệm vuông 50mm ở cả hai bên; vòng đệm có kích thước nhỏ (vòng đệm tròn có đường kính dưới 40mm) kéo qua ray khi va chạm, gây hư hỏng lan can.

Phần cuối: Phương pháp điều trị cuối cùng và Đệm hỗ trợ

Phần cuối của lan can là mối nguy hiểm trừ khi được kết thúc đúng cách. Các đầu lan can không được kết thúc (cùn hoặc không được neo) gây ra 30-40% số ca tử vong liên quan đến lan can , điển hình là khi một phương tiện va vào phần tiếp xúc và đường ray xuyên qua khoang hành khách. Tất cả các phần cuối phải được xử lý cuối cùng được thử nghiệm MASH. Hai loại chiếm ưu thế: thiết bị đầu cuối hấp thụ năng lượng loe (FLEAT hoặc tương tự) làm giảm tốc độ của các phương tiện va chạm thông qua quá trình ép đùn có kiểm soát và thiết bị đầu cuối chôn trong sườn dốc nơi đường ray thuôn vào nền đất cao hơn 15-20 mét.

Nhà ga FLEAT có giá 1.500-2.500 USD mỗi đầu và cần 10-15 mét đường ray loe. Cần có đệm va chạm (chuyển hướng hoặc không chuyển hướng) cho các rào chắn ở giữa nơi tác động có thể xảy ra từ một trong hai hướng . Đối với dải phân cách hẹp (có chiều rộng dưới 10m), chỉ định đệm va chạm TL-3 ở hai đầu của mỗi dải rào chắn ở dải phân cách. Đệm va chạm có giá 3.000-8.000 USD mỗi chiếc nhưng giảm mức độ nghiêm trọng do va chạm từ 60-80% so với thiết bị đầu cuối cùn. Đối với đường tốc độ thấp (<60 km/h), các neo đơn giản có phần đầu cuối được chôn dưới đất có thể được chấp nhận nhưng phải được kiểm tra hàng năm về tình trạng xói lở nền đường làm lộ đầu ray.

Chuyển tiếp cầu và lan can tiếp cận

Giao diện giữa lan can bảo vệ lối vào và lan can cầu là điểm yếu được biết đến trong hệ thống rào chắn đường bộ. Dữ liệu vụ va chạm cho thấy 25-30% các vụ xâm nhập lan can xảy ra trong phạm vi 10 mét kể từ điểm chuyển tiếp đường ray cầu do độ cứng không khớp giữa lan can nửa cứng (linh hoạt) và lan can cầu cứng (bê tông hoặc thép). Đoạn chuyển tiếp thích hợp phải tăng dần độ cứng của hệ thống trên 6-12 mét bằng cách sử dụng các trụ gia cố, ray ba dầm hoặc dầm chữ W lồng vào nhau. Chỉ định phần cứng chuyển tiếp đã được chủ sở hữu cầu phê duyệt và được thử nghiệm sự cố ở cùng mức TL như lan can bảo vệ tiếp cận.

Kích thước quan trọng: lan can tiếp cận phải thẳng hàng theo chiều dọc và chiều ngang với lan can cầu trong phạm vi 15mm so với độ lệch . Độ lệch quá 25mm sẽ tạo ra điểm kẹt làm kẹt bánh xe. Trước khi lắp đặt, hãy khảo sát cả cấp đường dẫn và độ cao đường ray cầu; điều chỉnh độ cao của trụ lan can tiếp cận và điền vào phân loại nếu cần. Sau khi lắp đặt, hãy kiểm tra sự căn chỉnh bằng thước thẳng dài 3 m đặt ngang qua phần chuyển tiếp; bất kỳ khoảng cách nào vượt quá 10 mm đều cần phải chèn hoặc lắp lại.

Khoảng cách vùng rõ ràng và vị trí lan can

Vùng thông thoáng là vùng không bị cản trở phía ngoài phần đường đi. Sách xanh AASHTO quy định rằng lan can phải được đặt ở ranh giới khu vực rõ ràng—không được áp sát một cách tùy tiện vào lòng đường. Đối với đường cao tốc 110 km/h có độ dốc bên 2:1, chiều rộng vùng trống được khuyến nghị là 7-10 mét . Việc đặt lan can gần hơn chiều rộng vùng thông thoáng sẽ làm tăng tần suất và mức độ nghiêm trọng của va chạm với xe. Ngược lại, việc đặt lan can ngoài vùng trống sẽ khiến các mối nguy hiểm không được bảo vệ.

Tính từ mép đường xe chạy đến mặt lan can: khoảng cách tối thiểu là 0,6m để cho phép phương tiện phục hồi trước khi va chạm với rào chắn, độ lệch tối đa là 2,5m đối với rào chắn TL-3 (vượt quá 2,5m, lan can có thể bị va đập ở góc vượt quá giới hạn thiết kế) . Đối với độ lệch dưới 0,6m (điển hình trên các lối vào cầu hoặc hành lang đô thị bị hạn chế), hãy chỉ định mức TL cao hơn (TL-4 thay vì TL-3) để bù cho góc va chạm hiệu quả dốc hơn. Đối với khoảng cách trên 2,5m, hãy tăng khoảng cách giữa các cột hoặc xem xét không có rào cản nếu vùng thông thoáng không bị cản trở.

Tiêu chuẩn bảo vệ mạ điện và chống ăn mòn

Tất cả các thành phần thép trong hệ thống lan can đường phải được mạ kẽm nhúng nóng theo tiêu chuẩn ASTM A123 hoặc A653. Trọng lượng lớp phủ tối thiểu cho lan can trong môi trường không ven biển là 550 g/m2 (G185), bảo hành 25-30 năm cho lần ăn mòn đầu tiên . Trong môi trường ven biển (trong vòng 1,6 km nước mặn) hoặc các khu vực sử dụng nhiều muối làm tan băng (sử dụng muối hàng năm >10 tấn mỗi làn-km), chỉ định lớp phủ 700 g/m2 (G235) hoặc lớp phủ hai mặt (mạ kẽm cộng với sơn tĩnh điện). Sơn tĩnh điện tốn thêm 2-4 USD cho mỗi mét tuyến tính nhưng kéo dài tuổi thọ sử dụng lên 40 năm trong môi trường khắc nghiệt.

Việc cắt lan can mạ kẽm tại hiện trường (ví dụ: rút ngắn đường ray để phù hợp với điều kiện tại chỗ) sẽ làm hỏng lớp phủ ở các cạnh bị cắt. Tất cả các cạnh cắt phải được phủ ngoài hiện trường bằng hợp chất mạ kẽm nguội (tối thiểu 95% bụi kẽm theo trọng lượng) trong vòng 24 giờ sau khi cắt . Các cạnh cắt không được tráng phủ bị ăn mòn với tốc độ gấp 5-10 lần so với mạ kẽm nguyên vẹn, dẫn đến hao hụt mặt cắt 0,2-0,5mm mỗi năm trong môi trường muối. Trong vòng 5 năm, lưỡi cắt không được phủ có thể làm giảm độ dày đường ray từ 3,4mm xuống dưới 2,0mm, mất 40-50% khả năng chịu va đập.

Bảo trì và sửa chữa sau tác động

Hệ thống lan can đường cần được kiểm tra 6-12 tháng một lần và sửa chữa ngay lập tức sau bất kỳ tác động nào làm hư hỏng rào chắn. Hư hỏng thường gặp cần sửa chữa: độ lệch của đường ray vượt quá 300 mm so với hướng thiết kế, độ nghiêng sau vượt quá 15 độ so với phương thẳng đứng, các mối nối đường ray cách nhau hơn 10 mm hoặc bất kỳ mép cắt lộ ra nào không được phủ ngoài hiện trường . Đối với dầm chữ W TL-3, chi phí sửa chữa trung bình là 150-250 USD mỗi trụ và 80-120 USD cho mỗi đoạn ray dài 4m. Hợp chất sửa chữa bị trì hoãn: một trụ bị hư hỏng làm giảm 30-40% công suất của trụ liền kề, khiến tác động tiếp theo có khả năng xuyên qua hàng rào cao hơn 3-5 lần.

Giao thức thay thế sau tác động: loại bỏ và thay thế bất kỳ trụ nào có vết nứt nhìn thấy được, uốn cong hơn 10 độ so với phương thẳng đứng hoặc bị kéo ra (chuyển động theo chiều dọc từ 25 mm trở lên) . Không cố gắng làm thẳng các trụ bị cong—việc nắn nguội sẽ làm giảm độ bền của thép từ 30-50% do phôi bị cứng lại. Đối với các đoạn ray, thay thế bất kỳ đoạn nào có vết nứt nhìn thấy được, các lỗ do bu lông kéo qua hoặc bộ phận cố định (biến dạng dẻo) vượt quá 50mm. Có thể vẫn còn những vết lõm hoặc vết xước nhỏ không làm thủng lớp mạ kẽm. Ghi lại tất cả các sửa chữa bằng tọa độ GPS và ảnh kỹ thuật số để tham khảo và bảo vệ trách nhiệm pháp lý trong tương lai.

Rào chắn ở giữa và lan can bên đường

Rào chắn ở dải phân cách (được lắp đặt giữa các làn đường đối diện) có yêu cầu thiết kế khác với lan can bên đường. Rào chắn ở giữa phải có khả năng chịu va chạm từ cả hai hướng, yêu cầu thiết kế đối xứng hoặc hai chiều . Lan can bảo vệ dầm chữ W tiêu chuẩn không phải là hai chiều—dạng ray có mặt mạnh (đối diện với phương tiện giao thông) và mặt yếu. Lắp đặt dầm chữ W ngược giúp giảm khả năng chịu va đập từ 60-70%. Đối với dải phân cách, hãy chỉ định: (a) ba dầm có mặt cắt ngang đối xứng, (b) dải phân cách bằng bê tông (hình Jersey hoặc hình chữ F) cho các ứng dụng TL-4 hoặc (c) dải phân cách bằng cáp cho dải phân cách rộng (>15m).

Rào chắn cáp ở dải phân cách (ba hoặc bốn cáp thép cách nhau 500-700mm) là giải pháp tiết kiệm chi phí nhất cho dải phân cách rộng trên đường cao tốc tốc độ cao. Rào chắn cáp có giá 30-50 USD mỗi mét so với 100-150 USD mỗi mét đối với bê tông hoặc dầm ba và có mức độ tác động thấp hơn (ít giảm tốc hơn) đối với các phương tiện đi sai hướng. Tuy nhiên, rào chắn cáp yêu cầu chiều rộng làm việc từ 8 đến 10 mét và không phù hợp với dải phân cách có chiều rộng dưới 12 mét. Đối với dải phân cách hẹp (4-10m), cần có rào chắn bê tông để ngăn chặn sự xuyên qua dải phân cách, chiếm 40% số vụ va chạm chết người từ hướng ngược chiều.

Ứng dụng đặc biệt: Cầu, cống và đá rơi

Cầu và cống đặt ra những thách thức đặc biệt trong việc lắp đặt lan can vì các cột không thể được dẫn xuyên qua kết cấu. Đối với cầu, trụ lan can được bắt vít vào mặt cầu hoặc lan can bằng bu lông neo cắm sâu 150-200mm vào bê tông . Mỗi trụ cần có bốn bu lông neo đường kính 19mm có vữa epoxy; khả năng chịu kéo của mỗi bu lông neo phải vượt quá 25 kN. Đối với cống (chôn dưới lòng đường) ngăn cản việc đóng cọc, xác định móng bê tông đổ vào hai bên cống ở độ sâu 1,5m, có trụ lan can gắn vào móng bê tông bằng tấm đế.

Các khu vực bảo vệ đá rơi cần có hệ thống lan can có lưới chắn hoặc màn che phía trên rào chắn để giữ đá rơi. Lan can bảo vệ đường tiêu chuẩn cung cấp khả năng bảo vệ tối thiểu chống lại đá rơi—đá có đường kính lớn hơn 300mm sẽ tràn qua lan can . Đối với các khu vực có đá rơi (đường cắt, đường cao tốc có hẻm núi), hãy chỉ định rào chắn đá rơi (AASHTO MASH đá rơi TL-3 hoặc TL-4) với các cột cao 3-4m và lưới cáp kéo dài phía trên đường ray. Các hệ thống này có giá 300-500 USD cho mỗi mét tuyến tính nhưng ngăn ngừa được các vụ va chạm thảm khốc liên quan đến đá, có tỷ lệ tử vong cao gấp 4 lần so với các vụ va chạm ROR tiêu chuẩn.

Độ bền dọc và thiết kế mối nối đường ray

Hệ thống lan can phải duy trì độ bền dọc trên các mối nối ray để ngăn chặn ray bị bung ra (bong tróc) khi va chạm. Mối nối ray dầm chữ W sử dụng bốn bu lông (hai bu lông ở mỗi đầu ray) với tấm nối 125mm chồng lên nhau 250mm. Thông số mô-men xoắn bu lông: 80-100 Nm đối với bu lông mạ kẽm 16mm; các bu lông chịu lực xoắn (dưới 60 Nm) cho phép trượt mối nối, làm giảm độ bền dọc từ 40-50% và gây ra sự tách lớp chồng lên nhau trong quá trình va chạm. Bu lông bị vặn quá tải (trên 120 Nm) có thể làm mất ren hoặc biến dạng đường ray, tạo ra sự tập trung ứng suất.

Đối với các ứng dụng ba chùm tia và TL-4, các tấm nối phải có tiết diện ba dầm phù hợp với ray, không phải là tấm phẳng . Mối nối tấm phẳng trên dầm ba làm giảm độ bền từ 35-40% và đã thất bại trong các thử nghiệm va chạm. Các đoạn ray phải được đặt bằng các mối nối so le: không được có hai cột liền kề nhau có các mối nối ở cùng một vị trí dọc. Việc loạng choạng ngăn đường ray phát triển một đường yếu liên tục có thể bị bung ra. Độ lệch mối nối đường ray tối đa là 1,5m; bất kỳ mối nối nào xảy ra tại một vị trí trụ (đường tâm mối nối trong phạm vi 300mm tính từ đường tâm trục) đều yêu cầu gia cố mối nối bằng một tấm mối nối 250mm bổ sung.