Q235B波形梁护栏不同部位材料的静态和准静态力学性能试验研究

杨曼娟 刘芳芳 李 易

（1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804；2.交通运输部公路科学研究院，北京 100088；3.北京工业大学工程抗震与结构诊治北京市重点实验室，北京 100124）

0 引言

护栏是减轻交通事故危害和损失的最后一道防线。目前一般采用实车碰撞试验和数值模拟方法研究护栏的安全性能：前者准确但试验成本和耗时较多，一般开展少量典型试验作为数值模拟的Benchmark模型；后者成本和耗时较少，可通过参数分析对不同工况下的受力变化规律进行研究。材料力学模型是影响数值模型准确性的关键因素之一。公路中常用波形梁护栏一般采用轧制工艺制作，不同部位在轧制过程中产生不同的残余应力和变形，最终影响其在撞击下的力学性能。特别是在长期使用过程中，不均匀腐蚀可能进一步加剧各部位间力学性能的差异。王承忠［1］对圆钢不同位置的材料进行单轴拉伸力学性能试验，发现圆钢中心区域材料的抗拉强度低于国标值。目前尚没有对波形梁护栏不同位置处材料力学指标差异的研究。我国《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试件制备》［2］（GB/T 2975－2018）仅规定了型钢、棒材及盘条、钢板、管材的取样位置，美国规范E8/E8M－16a［3］规定了板材、棒材、管材等的取样位置。对于波形梁这类特殊产品，两规范并未给出明确取样规定，均要求参见各类产品规范确定。然而波形梁钢护栏的相关规范［4，5］也未对材料性能检验的取样位置进行规定。现有车撞护栏的数值模拟研究主要关注结构参数对波形梁护栏安全性能的影响，如波形梁厚度和立柱厚度［6］、护栏板摩擦系数［7］、防阻块安装角度和丢失［8］、结构形式［9-10］等，对于材料参数对护栏安全性能的影响尚无研究。

为了对波形梁护栏在长期使用条件下的防撞力学性能进行研究，本文首先对无腐蚀波形梁不同部位材料的静态和准静态力学性能进行了研究。试验材料选自于4 mm厚冷轧成型后的波形梁斜面和中间位置，以及未轧制的平板母材。通过对比应力-应变曲线及关键力学性能参数，分析不同部位力学性能的差异，为后续数值模拟研究提供数据和依据。

1 试验概况

1.1 试件设计

波形梁护栏主要由波形梁、立柱、防阻块、螺栓等组成，如图1（a）所示，其中，波形梁采用等截面DB01型号，参数见规范GB/T 31439.1－2015［4］。在制作试件时，按照规范GB/T 20832－2007［11］对试样轴线的要求，利用激光切割在无防腐涂层的波形梁斜面位置处、中间位置处（图1（b））和未轧制的平板母材上切割出足够多的试料，再利用线切割进一步加工为符合规范GB/T 228.1－2010［12］和GB/T 30069.2－2016［13］几何尺寸要求的试件。静态和准静态试验试件的几何尺寸分别如图2（a）和图2（b）所示，两种状态下试件几何尺寸不同，主要原因为由于拉伸试验设备的限制，应变率越高，试件标距段长度越短。

图1 波形梁护栏结构图Fig.1 Components of W-beam guardrail

图2 试件几何尺寸（单位：mm）Fig.2 Geometric dimensions of specimens（Unit：mm）

如表1所示，根据取样位置的不同，在波形梁斜面位置处、波形梁中间位置处、未轧制的平板母材上取样的试件，对应标号依次记为BX、BZ和P，并记为BX试件、BZ试件和P试件，其中BZ试件截面呈弯曲状。根据材料应变率的不同，静态试验、准静态试验对应的标号依次记为S、QS。本试验共有6种工况，18个试件。波形梁及未轧制的平板母材材料化学成分如表2所示。

表1 试件编号Table 1 Abbreviation of specimens

表2 波形梁及未轧制的平板母材材料的化学成分（质量百分比/%）Table 2 Chemical composition of W-beam and notrolled plate material（mass ratio/%）

1.2 加载装置

对于金属材料，在静态试验方面，规范GB/T 228.1—2010［12］推荐采用0.000 25 s-1作为静态试验材料应变率。在准静态试验方面，规范GB/T 30069.1—2013［14］和GB/T 30069.2—2016［13］指出准静态材料应变率范围为10-3～10-1s-1。规范还指出，弹性杆型系统适用应变率范围为102s-1及以上，液压伺服型与其他类型试验系统适用应变率范围为10-2～103s-1。因此，本文静态试验采用MTS材料试验系统，设置应变率为0.000 25 s-1，应变采用25 mm标距引伸计测量（图3（a））；准静态试验采用Zwick/Roell Z100拉伸试验机，设置应变率为0.01 s-1，应变采用全自动引伸计测量（图3（b）），引伸计标距设为20 mm。

图3 试验测试装置Fig.3 Test setup

2 试验结果

2.1 试验现象

静态、准静态试验后试件发生明显的颈缩塑性变形，如图4（a）和图4（b）所示。观察试件断口发现其呈纤维状、暗灰色，表明材料均为韧性断裂［15］。

图4 BX试件的最终塑性变形Fig.4 Final plastic deformation of BX specimens

2.2 试验数据

图5和图6分别给出了静态和准静态试验试件材料应力-应变曲线和平均曲线，平均曲线按照相同应变下的应力平均值描绘，其中BZ试验中1个试件测试结果因偏离较大而被舍去。可以看出，经过轧制的波形梁材料力学性能指标离散性降低。

图5 静态应力-应变曲线Fig.5 Static stress-strain curves

图6 准静态应力-应变曲线Fig.6 Quasi-static stress-strain curves

经过轧制后Q235B板材的材料屈服平台消失，轧制前后典型应力应变曲线如图7（a）和图7（b）所示。钢材有三个重要强度指标：屈服强度fy、抗拉强度fu和断裂强度ft，其中轧制前钢材屈服强度取屈服平台的下屈曲强度（图7（a）），轧制后钢材屈服强度取塑性变形ε=0.2%时对应的应力（图7（b））。弹性模量E、抗拉强度和断裂强度对应的最大力总延伸率Agt和断后伸长率A［15］是衡量钢材变形能力的重要变形指标。

图7 各力学指标的定义Fig.7 Definition of mechanical parameters

表3给出了试件所有指标的测试结果，强度指标和塑性指标的最大变异系数为0.11，试验数据较为集中。比较力学指标在两种应变率下变异系数的平均值，如BX试件、BZ试件、P试件对应屈服强度变异系数的平均值依次为0.01、0.02、0.04，可知波形梁斜面位置处材料材性数据稳定，而未轧制的母材材性数据离散性相对较大。

表3 不同位置处材料的静态和准静态力学指标Table 3 Static or quasi-static mechanical properties of materials at different locations of specimens

3 分析与比较

3.1 平均应力-应变曲线

图8给出了静态和准静态工况下的材料平均应力-应变曲线。P试件在两个应变率下均具有明显的屈服平台，而BX试件和BZ试件的屈服平台消失。

图8 平均应力-应变曲线Fig.8 Average stress-strain curves

3.2 弹性模量E

图9给出了静态和准静态工况下的材料的弹性模量。由于采用不同的测量仪器，因此实测应力-应变曲线的弹性段产生的细微波动间存在少量差别，导致实测弹性模量值略有区别。但是同类试件间不同应变率下的相对弹性模量变化很小，其中BX试件的静态和准静态弹性模量分别比P试件低8%和9%，BZ试件的静态和准静态弹性模量分别比P试件高19%和20%，印证了弹性模量不随应变率变化的规律［16-17］。BX试件弹性模量低于P试件是因为冷塑性变形会使钢材的弹性模量降低［15］，而BZ试件由于截面呈弯曲状，实际截面面积增加，导致计算弹性模量偏大。

图9 弹性模量Fig.9 Elastic modulus

3.3 屈服强度fy和抗拉强度fu

图10给出了材料的静态和准静态屈服强度和抗拉强度。BX试件的静态和准静态屈服强度分别比P试件低10%和7%；BZ试件的静态和准静态屈服强度分别比P试件高4%和6%。主要原因为加工成型过程中波形梁中间位置处材料产生拉伸塑性变形，应变强化导致拉伸屈服强度增高；波形梁斜面位置处材料存在压缩塑性变形，压缩屈服强度增高，由于包兴格效应，拉伸屈服强度降低。

图10 屈服强度和抗拉强度Fig.10 Yield strength and tensile strength

冷轧工艺对抗拉强度影响很小，BX试件的静态和准静态抗拉强度均比P试件低4%，BZ试件的静态和准静态抗拉强度分别比P试件低1%和2%。表4给出了静态和准静态工况下的材料的屈强比，其大小关系满足BX＜P＜BZ的规律。

表4 静态和准静态状况下试件屈强比Table 4 The yield to tensile ratio of specimens in static and quasi-static

BX试件、BZ试件和P试件的准静态屈服强度比静态屈服强度分别提高了9%、7%和5%；准静态抗拉强度比静态抗拉强度分别提高了7%、5%和7%，体现了应变率效应。

3.4 最大力总延伸率Agt和断后伸长率A

图11给出了材料的静态和准静态断后伸长率。BX试件的静态和准静态断后伸长率分别比P试件高13%和8%，BZ试件的静态和准静态断后伸长率分别比P试件高35%和8%。这表明冷轧成型提高了材料的变形能力。

图11 断后伸长率Fig.11 Percentage elongation after fracture

图11中BX试件、BZ试件和P试件的准静态断后伸长率比静态断后伸长率分别提高了23%、2%和29%；图12中BX试件、BZ试件和P试件的准静态最大力总延伸率比静态最大力总延伸率分别降低了27%、6%和15%，表明本文Q235B钢材断后伸长率和最大力总延伸率随应变率提高而分别提高和降低。

图12 最大力总延伸率Fig.12 Percentage total extension at maximum force

4 结论与展望

本文在波形梁护栏斜面、中间位置处以及未轧制平板母材上进行取样，并开展了静态和准静态单轴拉伸试验。试验结果发现在0.000 25 s-1、0.01 s-1两个应变率下进行单轴拉伸试验时试件均发生韧性破坏。不同取样位置处的材料力学性能差别显著：和母材相比，经冷轧后的波形梁斜面位置处材料弹性模量、屈服强度最大分别降低9%和10%，而波形梁中间位置处材料弹性模量和屈服强度最大分别提高20%和6%；斜面、中间位置处材料抗拉强度均降低4%，断后伸长率最大分别提高13%和35%。随应变率增加，各位置处材料屈服强度、抗拉强度和断后伸长率最大分别提高9%、7%和29%，最大力总延伸率最大减低27%。因此需要对不同位置材料在更高应变率下开展更为广泛的试验分析，以准确分析波形梁护栏的防撞力学性能。