Q235B波形梁護欄不同部位材料的靜態和準靜態力學性能試驗研究

楊曼娟 劉芳芳 李 易

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；2.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；3.北京工業大學工程抗震與結構診治北京市重點實驗室，北京 100124）

0 引言

護欄是減輕交通事故危害和損失的最后一道防線。目前一般采用實車碰撞試驗和數值模擬方法研究護欄的安全性能：前者準確但試驗成本和耗時較多，一般開展少量典型試驗作為數值模擬的Benchmark模型；后者成本和耗時較少，可通過參數分析對不同工況下的受力變化規律進行研究。材料力學模型是影響數值模型準確性的關鍵因素之一。公路中常用波形梁護欄一般采用軋制工藝制作，不同部位在軋制過程中產生不同的殘余應力和變形，最終影響其在撞擊下的力學性能。特別是在長期使用過程中，不均勻腐蝕可能進一步加劇各部位間力學性能的差異。王承忠［1］對圓鋼不同位置的材料進行單軸拉伸力學性能試驗，發現圓鋼中心區域材料的抗拉強度低于國標值。目前尚沒有對波形梁護欄不同位置處材料力學指標差異的研究。我國《鋼及鋼產品力學性能試驗取樣位置及試件制備》［2］（GB/T 2975－2018）僅規定了型鋼、棒材及盤條、鋼板、管材的取樣位置，美國規范E8/E8M－16a［3］規定了板材、棒材、管材等的取樣位置。對于波形梁這類特殊產品，兩規范并未給出明確取樣規定，均要求參見各類產品規范確定。然而波形梁鋼護欄的相關規范［4，5］也未對材料性能檢驗的取樣位置進行規定?，F有車撞護欄的數值模擬研究主要關注結構參數對波形梁護欄安全性能的影響，如波形梁厚度和立柱厚度［6］、護欄板摩擦系數［7］、防阻塊安裝角度和丟失［8］、結構形式［9-10］等，對于材料參數對護欄安全性能的影響尚無研究。

為了對波形梁護欄在長期使用條件下的防撞力學性能進行研究，本文首先對無腐蝕波形梁不同部位材料的靜態和準靜態力學性能進行了研究。試驗材料選自于4 mm厚冷軋成型后的波形梁斜面和中間位置，以及未軋制的平板母材。通過對比應力-應變曲線及關鍵力學性能參數，分析不同部位力學性能的差異，為后續數值模擬研究提供數據和依據。

1 試驗概況

1.1 試件設計

波形梁護欄主要由波形梁、立柱、防阻塊、螺栓等組成，如圖1（a）所示，其中，波形梁采用等截面DB01型號，參數見規范GB/T 31439.1－2015［4］。在制作試件時，按照規范GB/T 20832－2007［11］對試樣軸線的要求，利用激光切割在無防腐涂層的波形梁斜面位置處、中間位置處（圖1（b））和未軋制的平板母材上切割出足夠多的試料，再利用線切割進一步加工為符合規范GB/T 228.1－2010［12］和GB/T 30069.2－2016［13］幾何尺寸要求的試件。靜態和準靜態試驗試件的幾何尺寸分別如圖2（a）和圖2（b）所示，兩種狀態下試件幾何尺寸不同，主要原因為由于拉伸試驗設備的限制，應變率越高，試件標距段長度越短。

圖1 波形梁護欄結構圖Fig.1 Components of W-beam guardrail

圖2 試件幾何尺寸（單位：mm）Fig.2 Geometric dimensions of specimens（Unit：mm）

如表1所示，根據取樣位置的不同，在波形梁斜面位置處、波形梁中間位置處、未軋制的平板母材上取樣的試件，對應標號依次記為BX、BZ和P，并記為BX試件、BZ試件和P試件，其中BZ試件截面呈彎曲狀。根據材料應變率的不同，靜態試驗、準靜態試驗對應的標號依次記為S、QS。本試驗共有6種工況，18個試件。波形梁及未軋制的平板母材材料化學成分如表2所示。

表1 試件編號Table 1 Abbreviation of specimens

表2 波形梁及未軋制的平板母材材料的化學成分（質量百分比/%）Table 2 Chemical composition of W-beam and notrolled plate material（mass ratio/%）

1.2 加載裝置

對于金屬材料，在靜態試驗方面，規范GB/T 228.1—2010［12］推薦采用0.000 25 s-1作為靜態試驗材料應變率。在準靜態試驗方面，規范GB/T 30069.1—2013［14］和GB/T 30069.2—2016［13］指出準靜態材料應變率范圍為10-3～10-1s-1。規范還指出，彈性桿型系統適用應變率范圍為102s-1及以上，液壓伺服型與其他類型試驗系統適用應變率范圍為10-2～103s-1。因此，本文靜態試驗采用MTS材料試驗系統，設置應變率為0.000 25 s-1，應變采用25 mm標距引伸計測量（圖3（a））；準靜態試驗采用Zwick/Roell Z100拉伸試驗機，設置應變率為0.01 s-1，應變采用全自動引伸計測量（圖3（b）），引伸計標距設為20 mm。

圖3 試驗測試裝置Fig.3 Test setup

2 試驗結果

2.1 試驗現象

靜態、準靜態試驗后試件發生明顯的頸縮塑性變形，如圖4（a）和圖4（b）所示。觀察試件斷口發現其呈纖維狀、暗灰色，表明材料均為韌性斷裂［15］。

圖4 BX試件的最終塑性變形Fig.4 Final plastic deformation of BX specimens

2.2 試驗數據

圖5和圖6分別給出了靜態和準靜態試驗試件材料應力-應變曲線和平均曲線，平均曲線按照相同應變下的應力平均值描繪，其中BZ試驗中1個試件測試結果因偏離較大而被舍去。可以看出，經過軋制的波形梁材料力學性能指標離散性降低。

圖5 靜態應力-應變曲線Fig.5 Static stress-strain curves

圖6 準靜態應力-應變曲線Fig.6 Quasi-static stress-strain curves

經過軋制后Q235B板材的材料屈服平臺消失，軋制前后典型應力應變曲線如圖7（a）和圖7（b）所示。鋼材有三個重要強度指標：屈服強度fy、抗拉強度fu和斷裂強度ft，其中軋制前鋼材屈服強度取屈服平臺的下屈曲強度（圖7（a）），軋制后鋼材屈服強度取塑性變形ε=0.2%時對應的應力（圖7（b））。彈性模量E、抗拉強度和斷裂強度對應的最大力總延伸率Agt和斷后伸長率A［15］是衡量鋼材變形能力的重要變形指標。

圖7 各力學指標的定義Fig.7 Definition of mechanical parameters

表3給出了試件所有指標的測試結果，強度指標和塑性指標的最大變異系數為0.11，試驗數據較為集中。比較力學指標在兩種應變率下變異系數的平均值，如BX試件、BZ試件、P試件對應屈服強度變異系數的平均值依次為0.01、0.02、0.04，可知波形梁斜面位置處材料材性數據穩定，而未軋制的母材材性數據離散性相對較大。

表3 不同位置處材料的靜態和準靜態力學指標Table 3 Static or quasi-static mechanical properties of materials at different locations of specimens

3 分析與比較

3.1 平均應力-應變曲線

圖8給出了靜態和準靜態工況下的材料平均應力-應變曲線。P試件在兩個應變率下均具有明顯的屈服平臺，而BX試件和BZ試件的屈服平臺消失。

圖8 平均應力-應變曲線Fig.8 Average stress-strain curves

3.2 彈性模量E

圖9給出了靜態和準靜態工況下的材料的彈性模量。由于采用不同的測量儀器，因此實測應力-應變曲線的彈性段產生的細微波動間存在少量差別，導致實測彈性模量值略有區別。但是同類試件間不同應變率下的相對彈性模量變化很小，其中BX試件的靜態和準靜態彈性模量分別比P試件低8%和9%，BZ試件的靜態和準靜態彈性模量分別比P試件高19%和20%，印證了彈性模量不隨應變率變化的規律［16-17］。BX試件彈性模量低于P試件是因為冷塑性變形會使鋼材的彈性模量降低［15］，而BZ試件由于截面呈彎曲狀，實際截面面積增加，導致計算彈性模量偏大。

圖9 彈性模量Fig.9 Elastic modulus

3.3 屈服強度fy和抗拉強度fu

圖10給出了材料的靜態和準靜態屈服強度和抗拉強度。BX試件的靜態和準靜態屈服強度分別比P試件低10%和7%；BZ試件的靜態和準靜態屈服強度分別比P試件高4%和6%。主要原因為加工成型過程中波形梁中間位置處材料產生拉伸塑性變形，應變強化導致拉伸屈服強度增高；波形梁斜面位置處材料存在壓縮塑性變形，壓縮屈服強度增高，由于包興格效應，拉伸屈服強度降低。

圖10 屈服強度和抗拉強度Fig.10 Yield strength and tensile strength

冷軋工藝對抗拉強度影響很小，BX試件的靜態和準靜態抗拉強度均比P試件低4%，BZ試件的靜態和準靜態抗拉強度分別比P試件低1%和2%。表4給出了靜態和準靜態工況下的材料的屈強比，其大小關系滿足BX＜P＜BZ的規律。

表4 靜態和準靜態狀況下試件屈強比Table 4 The yield to tensile ratio of specimens in static and quasi-static

BX試件、BZ試件和P試件的準靜態屈服強度比靜態屈服強度分別提高了9%、7%和5%；準靜態抗拉強度比靜態抗拉強度分別提高了7%、5%和7%，體現了應變率效應。

3.4 最大力總延伸率Agt和斷后伸長率A

圖11給出了材料的靜態和準靜態斷后伸長率。BX試件的靜態和準靜態斷后伸長率分別比P試件高13%和8%，BZ試件的靜態和準靜態斷后伸長率分別比P試件高35%和8%。這表明冷軋成型提高了材料的變形能力。

圖11 斷后伸長率Fig.11 Percentage elongation after fracture

圖11中BX試件、BZ試件和P試件的準靜態斷后伸長率比靜態斷后伸長率分別提高了23%、2%和29%；圖12中BX試件、BZ試件和P試件的準靜態最大力總延伸率比靜態最大力總延伸率分別降低了27%、6%和15%，表明本文Q235B鋼材斷后伸長率和最大力總延伸率隨應變率提高而分別提高和降低。

圖12 最大力總延伸率Fig.12 Percentage total extension at maximum force

4 結論與展望

本文在波形梁護欄斜面、中間位置處以及未軋制平板母材上進行取樣，并開展了靜態和準靜態單軸拉伸試驗。試驗結果發現在0.000 25 s-1、0.01 s-1兩個應變率下進行單軸拉伸試驗時試件均發生韌性破壞。不同取樣位置處的材料力學性能差別顯著：和母材相比，經冷軋后的波形梁斜面位置處材料彈性模量、屈服強度最大分別降低9%和10%，而波形梁中間位置處材料彈性模量和屈服強度最大分別提高20%和6%；斜面、中間位置處材料抗拉強度均降低4%，斷后伸長率最大分別提高13%和35%。隨應變率增加，各位置處材料屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率最大分別提高9%、7%和29%，最大力總延伸率最大減低27%。因此需要對不同位置材料在更高應變率下開展更為廣泛的試驗分析，以準確分析波形梁護欄的防撞力學性能。