出品：科普中国
制作：缪子文化雁丘客
监制：中国科学院计算机网络信息中心
周二（10月31日）在美国曼哈顿又双叒叕发生了卡车冲撞人群袭击事件，现场有六人被宣布死亡，另有两人在医院被宣布死亡，其中十一人被送往医院，伤势严重。案发地点发生在人流众多的曼哈顿下城西街与钱伯斯街之间，靠近世贸中心、911国家纪念博物馆和一所高中 。当天正值万圣节，纽约万圣节游行的出发聚集地距离案发地只有1公里左右的距离。
针对高密集人群的卡车袭击近几年频发，惨案新闻持续不断：
2009年10月25日，伊拉克巴格达市中心遭遇两起自杀式汽车炸弹袭击，当地司法部和省政府建筑受损严重，至少160人死亡，超过500人受伤；
2010年9月9日俄罗斯南部奥赛第共和国首府的中央市场遭遇汽车炸弹袭击，17人死亡，133 人受伤；
2011年1月1日，埃及北部城市亚历山大一座基督教堂门前遭遇汽车炸弹袭击，至少21人死亡，79人死亡；2017年7月2日大马士革东部城区解放广场发生自杀式汽车炸弹爆炸袭击，造成至少20人死亡、30人受伤；
2013年8月15日时，一枚安置于黎巴嫩贝鲁特的汽车炸弹爆炸并且杀死27人造成超过200人受伤。
2015年8月13日，发生了一宗由伊斯兰国发动、对象为什叶派武装分子的恐怖主义袭击事件，有汽车炸弹在一所批发市场爆炸，造成76人死亡、212人受伤。
2016年12月18日，土耳其中南部城市开塞利周六发生汽车炸弹袭击，造成13名士兵丧命，56人受伤。
2017年5月31日，喀布尔市区瓦济尔阿克巴汗区发生了汽车炸弹袭击。事发地点接近德国大使馆正门，附近有他国使馆和多个政府部门，死亡超过90人，伤者超过400人。
一般而言，恐怖分子实施车辆冲撞恐怖袭击的意图，是尽可能最大规模的杀伤平民，以吸引媒体关注，制造恐慌和轰动效应。诸如商店、广场、抗议示威队伍等人员密集的场所，非常容易遭到恐怖分子冲撞袭击。而桥梁、市场这样相对封闭的场所，由于民众在遭遇车辆冲撞时往往无处可躲，更有可能成为恐怖分子的袭击重点。今年伦敦之前发生的两起冲撞恐怖袭击，恐怖分子都是以桥上的行人，和桥附近市场中的普通民众为袭击目标。
目前应对恐袭车辆仍然是世界难题，保护建筑物或减轻汽车炸弹损害的方法主要分为两大类：结构抗暴加固设计（比如固定式隔离柱或护栏）和车辆进入控制系统（如电动档杆）。无论是哪一种，强度不一定够不说，一旦安装就无法撤走或者需要人力物力维护其开启或关闭。特别是在一些车辆经常通过的公共区域，设置路障也是造成交通阻塞的原因之一。
图1带钉刺铁丝网 （来源：Metropolitan Police）
英国警方引进了一种利用钨钢打造的刺钉网，专门应对汽车恐袭等。如果汽车行驶到刺钉网上，刺钉会很快扎破汽车轮胎，使得汽车与刺钉网缠结在一起，达到短时间内束缚车辆继续前进的效果。该装置还能使得车辆在停下来前一直沿直线行驶，最大程度减轻人员伤亡。然而不得不随时安置或撤走，耗时耗力，一般用于特殊情况，不可能一直铺设。
图2.防撞杆 （来源：コーエイ工業）
在一些西方国家以及日本已经有一些企业研发了一种可以迅速阻挡高速汽车的防撞柱，抵抗力非凡，汽车撞在这种栏杆上，直接散架了，速度越快，自损越严重。即使是面对大卡车的冲击也毫无压力。这种自动升降式防撞柱系统既不会完全阻挡建筑物的主要通道，又能有效保护建筑物或人群区域免收汽车袭击。而且风格多变，和周围的环境适应好，可以搭配周围的建筑风格，由于可以自动升降，可以保证特定车辆通过，在恐怖袭击频发的今天，是很好的防护工具。
图3 反恐立柱 （来源：コーエイ工業）
这是针对世界各国恐怖袭击车辆的防御而专门研发的，只是直径不超过40cm的空心钢柱，却能够阻挡高速行驶的汽车或卡车。乍一看，上图中的这些圆柱体没什么特殊的，到底是什么结构会有如何功效，我们来详细了解了解这些立柱的功能是怎样实现的，制作原理又是什么？
1 安置场所
这种防撞杆是一种自动升降、水平保持加强的栏杆，材料一般为结构钢，直径为200至300mm、厚度约3-6mm的空心圆柱。在步行街口、机场、海港、高层建筑、购物中心、大剧院、运动场、机关单位、学校、公园等公共场所安置，平时不用时储存在地面以下，有突发事件时，升至地面以上，防护启动一般在3-5秒内完成，如果加入紧急快速启动控制可以在2秒内完成。コーエイ工業生产的防撞杆可以阻挡自重约7500kg、速度为80km/h的车辆。其最新设计的产品可以实现“浅安装”—仅需安置在地下0.3m即可，防护启动后，在地面的高度可达到0.8-1.1m之间。
图4（上下） 自动升降式防撞栏杆 （来源：コーエイ工業）
2 材料和结构（并不是表面看上去那么简单！）
防撞柱系统包括钢柱体、连接底座、外套筒体和外套筒盖板等。
图5 坑体内整体构造立面图 （来源：专利CN103510480 B）
防撞柱系统核心部分钢柱体一般是Q345低合金钢所制，可以用于桥梁、车辆、船舶、建筑、压力容器、特种设备的制造。Q表示屈服强度，345表示这种钢材的屈服强度为345MPa。高度为1m左右，下部连接的是底座，一般为不超过1平方米的矩形钢板。钢管的壁厚一般是3-6mm。与底座相连，能够良好地传递汽车的冲击力。具有高强的承重和抗撞能力；柱体内无电源设计，防水、安全。外套筒和盖板等一般也是用Q345低合金钢所制。
图6 防撞柱部分构造图 （来源：专利CN103510480 B）
保护外套筒：这个套筒设置在钢管防撞柱的外围，一般是矩形形状，埋在地下，设计的目的就是保护防撞柱。
图7 外套筒部分构造图 （来源：专利CN103510480 B）
加劲装置：包括横向加劲片和纵向加劲片，原理很简单，我们知道在北方的寒冬，暖气片是必不可少的，特有的形状是为了增加与空气接触的面积而传递热量。加劲片增加了与地基的接触面积而增大了摩擦力，达到加劲效果。
升降装置：这是这个产品的一个亮点，使用的时候升高，不用的时候降到地下，目前有液压控制的，最新的产品中有电动控制的，控制越来越迅速，方法越来越靠谱。
坑体：说白了就是挖个坑，把整个防撞柱系统放进去。
在使用这套系统时，先把纵向、横向加劲板和外套筒焊接在一起，再把升降导轨焊接在外套筒中；把升降顶升部分和钢柱体底座连接，挖足够大小的坑位，把外套筒放在坑里作简单的固定。然后向坑里浇筑混凝土，再把钢柱体放在外套筒里，最后把外套筒盖板盖上，通过连接螺栓与外套筒良好连接。
这种可自动升降式防撞柱能够在短时间内通过遥控设施实现自动升降，钢柱体完全降下时，路面畅通无阻，防撞柱升起后，对车辆进行阻拦，钢柱体底座和外套筒都在地下，通过传力作用，把中央柱体所受的冲击力和弯矩传到地基里。
3 怎么防撞？
钢管防撞柱当然就是整个系统的核心部件了，受到汽车的水平冲击力和弯矩，在水平方向底座的两侧会受到两个约束力，与汽车的水平冲击力平衡。为了阻止钢柱体底座的移动，外套筒盖板会对底座有个向下的压力，相对应顶升装置对底座有个向上的支撑力，这两个力平衡。通过防撞柱底座侧壁与外套筒侧壁的水平压力相互作用平衡，另一小部分弯矩则通过防撞柱底座与外套筒盖板的竖直相互压力、圆柱体与外套筒盖板的竖直相互压力作用平衡。而在底座上部，水平约束力产生的力矩和竖直约束力产生的力矩可以抵抗汽车冲击力产生的弯矩。
简单来说，两条传递力的途径，可以把汽车的冲击力传递到地基中，特殊的结构可以把系统局部的集中力降低，在多平面上受均衡力，防止了材料的失效，安全性大大增加。
图8（上下） 受力分析 （来源：东南大学学报）
相关领域的研究学者当然需要对这种结构的合理性作出分析判断。LS-DYNA等软件可以分析多刚体动力学问题，借助这类软件，得到技术支持，相关企业开发出产品，通过试验可以确保产品的安全性能。美国和英国分别在2003年和2007年颁布了汽车防护栏的质量标准。如果仿真或者试验结果能够达到相关标准，就可以投入研发生产。在数值模型中，通过防撞柱系统、周边的混凝土、周边的普通地基、路面、汽车动量等进行建模计算，可以预测分析结果。
图9（上下）受力分析仿真模型 （源：Journal of Structural Engineeri
图10 汽车冲击分析仿真模型（来源同图9）
4“碎如纸片”的反冲力
防撞柱系统投入使用时，按照操作规程埋入地下，第一个亮点功能在于自动升降。
在政府机关、仓库等可电动、遥控或刷卡控制升降，阻止外单位车辆进入和不法车辆闯入；在步行街口等安装升降式路障，平时路障处于升起状态，限制车辆进出，如遇紧急或特殊情况（如火灾、急救等）可迅速降下路障，以便车辆通行；还可以作为道路隔离带：在非全封闭式道路隔离带中可采用升降式路障，平时阻止车辆左转或掉头行驶。如遇道路施工、道路阻塞等特殊情况，可放下路障，使车辆改道通行。
而第二个最重要的亮点功能在于反恐！在公共场所，平时收存在地下，不影响通行，出现突然袭击时，可以手动迅速升起防护。系统以电动马达驱动空气压缩机，能以1.8秒的上升速度及1.4秒的下降速度完成自动升降，上升后可完全抵挡时速80公里的卡车冲撞，反弹力足以让汽车直接报废。从生产厂家提供的试验中可以看到，汽车撞在钢柱上，时速80公里载满铁桶的卡车冲向防撞柱，撞击瞬间整个车头与车身如纸做的一般挤压在一起，车壳零件四处喷飞，车身几乎破碎全毁，而防撞柱几乎毫无损伤。
目前除了美国国务院有设置该项产品外，日本大使馆、机场、发电厂等重要设施也有配置，以自动升降防撞柱来确保大众安全。近年来面对如此频发的恐怖袭击，以“社会环境安全度较高”的日本也不得不考虑这些问题，特别是2020年的东京奥运，本来人口密度就很高的关东圈，将会迎来人口密集度的高峰！相信这个「防恐袭神器」的关注度也将会越来越高。
参考文献
[1] 欧亚安全观察知乎专栏
[2] https://www.koeiind.co.jp
[3] Hu, Bo, and Guo-Qiang Li. "Maximum Impact Force of Truck Frontal Crashing into Antiram Bollard Systems." Journal of Structural Engineering 142.12 (2016): 04016125.
[4] 曹轲, et al. "K4 级可自动升降式防撞柱系统性能的数值分析." 东南大学学报 (自然科学版) 2016 年 02 (2016): 353-359.
“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。
本文由科普中国融合创作出品，转载请注明出处。
