Q235B波形梁護(hù)欄不同部位材料的靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能試驗研究

楊曼娟 劉芳芳 李 易

（1.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，上海 201804；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；3.北京工業(yè)大學(xué)工程抗震與結(jié)構(gòu)診治北京市重點(diǎn)實(shí)驗室，北京 100124）

0 引言

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

為了對波形梁護(hù)欄在長期使用條件下的防撞力學(xué)性能進(jìn)行研究，本文首先對無腐蝕波形梁不同部位材料的靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能進(jìn)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(yīng)力-應(yīng)變曲線及關(guān)鍵力學(xué)性能參數(shù)，分析不同部位力學(xué)性能的差異，為后續(xù)數(shù)值模擬研究提供數(shù)據(jù)和依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

波形梁護(hù)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(shù)見規(guī)范GB/T 31439.1－2015［4］。在制作試件時，按照規(guī)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(jìn)一步加工為符合規(guī)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(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)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(tài)下試件幾何尺寸不同，主要原因為由于拉伸試驗設(shè)備的限制，應(yīng)變率越高，試件標(biāo)距段長度越短。

圖1 波形梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)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(jù)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(yīng)標(biāo)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(jù)材料應(yīng)變率的不同，靜態(tài)試驗、準(zhǔn)靜態(tài)試驗對應(yīng)的標(biāo)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(xué)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(xué)成分（質(zhì)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(tài)試驗方面，規(guī)范GB/T 228.1—2010［12］推薦采用0.000 25 s-1作為靜態(tài)試驗材料應(yīng)變率。在準(zhǔn)靜態(tài)試驗方面，規(guī)范GB/T 30069.1—2013［14］和GB/T 30069.2—2016［13］指出準(zhǔn)靜態(tài)材料應(yīng)變率范圍為10-3～10-1s-1。規(guī)范還指出，彈性桿型系統(tǒng)適用應(yīng)變率范圍為102s-1及以上，液壓伺服型與其他類型試驗系統(tǒng)適用應(yīng)變率范圍為10-2～103s-1。因此，本文靜態(tài)試驗采用MTS材料試驗系統(tǒng)，設(shè)置應(yīng)變率為0.000 25 s-1，應(yīng)變采用25 mm標(biāo)距引伸計測量（圖3（a））；準(zhǔn)靜態(tài)試驗采用Zwick/Roell Z100拉伸試驗機(jī)，設(shè)置應(yīng)變率為0.01 s-1，應(yīng)變采用全自動引伸計測量（圖3（b）），引伸計標(biāo)距設(shè)為20 mm。

圖3 試驗測試裝置Fig.3 Test setup

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗現(xiàn)象

靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)試驗后試件發(fā)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(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)

圖5和圖6分別給出了靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)試驗試件材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線和平均曲線，平均曲線按照相同應(yīng)變下的應(yīng)力平均值描繪，其中BZ試驗中1個試件測試結(jié)果因偏離較大而被舍去?？梢钥闯?，經(jīng)過軋制的波形梁材料力學(xué)性能指標(biāo)離散性降低。

圖5 靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Static stress-strain curves

圖6 準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Quasi-static stress-strain curves

經(jīng)過軋制后Q235B板材的材料屈服平臺消失，軋制前后典型應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖7（a）和圖7（b）所示。鋼材有三個重要強(qiáng)度指標(biāo)：屈服強(qiáng)度fy、抗拉強(qiáng)度fu和斷裂強(qiáng)度ft，其中軋制前鋼材屈服強(qiáng)度取屈服平臺的下屈曲強(qiáng)度（圖7（a）），軋制后鋼材屈服強(qiáng)度取塑性變形ε=0.2%時對應(yīng)的應(yīng)力（圖7（b））。彈性模量E、抗拉強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度對應(yīng)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(biāo)。

圖7 各力學(xué)指標(biāo)的定義Fig.7 Definition of mechanical parameters

表3給出了試件所有指標(biāo)的測試結(jié)果，強(qiáng)度指標(biāo)和塑性指標(biāo)的最大變異系數(shù)為0.11，試驗數(shù)據(jù)較為集中。比較力學(xué)指標(biāo)在兩種應(yīng)變率下變異系數(shù)的平均值，如BX試件、BZ試件、P試件對應(yīng)屈服強(qiáng)度變異系數(shù)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(shù)據(jù)穩(wěn)定，而未軋制的母材材性數(shù)據(jù)離散性相對較大。

表3 不同位置處材料的靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)指標(biāo)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(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8給出了靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)工況下的材料平均應(yīng)力-應(yīng)變曲線。P試件在兩個應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Average stress-strain curves

3.2 彈性模量E

圖9給出了靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)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(shí)測應(yīng)力-應(yīng)變曲線的彈性段產(chǎn)生的細(xì)微波動間存在少量差別，導(dǎo)致實(shí)測彈性模量值略有區(qū)別。但是同類試件間不同應(yīng)變率下的相對彈性模量變化很小，其中BX試件的靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)彈性模量分別比P試件低8%和9%，BZ試件的靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)彈性模量分別比P試件高19%和20%，印證了彈性模量不隨應(yīng)變率變化的規(guī)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(shí)際截面面積增加，導(dǎo)致計算彈性模量偏大。

圖9 彈性模量Fig.9 Elastic modulus

3.3 屈服強(qiáng)度fy和抗拉強(qiáng)度fu

圖10給出了材料的靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。BX試件的靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)屈服強(qiáng)度分別比P試件低10%和7%；BZ試件的靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)屈服強(qiáng)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(chǎn)生拉伸塑性變形，應(yīng)變強(qiáng)化導(dǎo)致拉伸屈服強(qiáng)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(qiáng)度增高，由于包興格效應(yīng)，拉伸屈服強(qiáng)度降低。

圖10 屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度Fig.10 Yield strength and tensile strength

冷軋工藝對抗拉強(qiáng)度影響很小，BX試件的靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)抗拉強(qiáng)度均比P試件低4%，BZ試件的靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)抗拉強(qiáng)度分別比P試件低1%和2%。表4給出了靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)工況下的材料的屈強(qiáng)比，其大小關(guān)系滿足BX＜P＜BZ的規(guī)律。

表4 靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)狀況下試件屈強(qiáng)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(zhǔn)靜態(tài)屈服強(qiáng)度比靜態(tài)屈服強(qiáng)度分別提高了9%、7%和5%；準(zhǔn)靜態(tài)抗拉強(qiáng)度比靜態(tài)抗拉強(qiáng)度分別提高了7%、5%和7%，體現(xiàn)了應(yīng)變率效應(yīng)。

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(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)斷后伸長率。BX試件的靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)斷后伸長率分別比P試件高13%和8%，BZ試件的靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)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(zhǔn)靜態(tài)斷后伸長率比靜態(tài)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(zhǔn)靜態(tài)最大力總延伸率比靜態(tài)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(yīng)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(jié)論與展望

本文在波形梁護(hù)欄斜面、中間位置處以及未軋制平板母材上進(jìn)行取樣，并開展了靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸試驗。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)在0.000 25 s-1、0.01 s-1兩個應(yīng)變率下進(jìn)行單軸拉伸試驗時試件均發(fā)生韌性破壞。不同取樣位置處的材料力學(xué)性能差別顯著：和母材相比，經(jīng)冷軋后的波形梁斜面位置處材料彈性模量、屈服強(qiáng)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(qiáng)度最大分別提高20%和6%；斜面、中間位置處材料抗拉強(qiáng)度均降低4%，斷后伸長率最大分別提高13%和35%。隨應(yīng)變率增加，各位置處材料屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)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(yīng)變率下開展更為廣泛的試驗分析，以準(zhǔn)確分析波形梁護(hù)欄的防撞力學(xué)性能。