第37卷第2期 2021年4月结构工程师
Structural Engineers
Vol. 37，No. 2
Apr. 2021
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“2刘芳芳〃李易3
(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)
摘要准确地获得不同部位材料的应力一应变曲线及关键力学指标是进行车撞波形梁护栏数值模拟 的基础。对不带防腐涂层的轧制前板材和轧制后波形梁的斜面、中间位置进行取样，在0.00025s-1、0.01s_l
两种不同的应变率下分别对9个试件进行了单轴静态和准静态拉伸试验，获得了材料的应力_应 变曲线和力学指标。结果表明：在0.000 25 s'0.01 s—1两个应变率下进行单轴拉伸试验时试件均发生韦刃 性破坏；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弹性模量、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最 大均降低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降低27%。
关键词Q235B波形梁，取样位置，静态，准静态，单轴拉伸应力-应变曲线，力学指标
Experimental Study on Static and Quasi-Static Mechanical Properties of Materials at Different Locations of Q235B W-Beam Guardrails
YANG Manjuan1'2LIU Fangfang3..LI Yi3
(l.The Key Laboratory of Road and Traffic Engineering, Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China；
gasstation2.Rearch Institute of Highway Ministry of Transport, Beijing 100088, China；
3.Beijing Key Laboratory of Earthquake
Engineering and Structural Retrofit, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)
Abstract Stress-strain curves and mechanical parameters of materials at different locations are fundamental of numerical simulations for W-beam guardrails subjected to vehicle impacting.Three locations of W-beam guardrails were lected,from which the material samples were isolated to fabricate the specimens,including the unrolled plate,the slope and center of rolled W-beams.Static and quasi-static uniaxial tensional tests were conducted on 9 specimens under the strain rates of 0.000 25 s"1and 0.01 s ',respectively.By doing so,the stress-strain curves and mechanical parameters of the material samples under the corresponding strain rates were obtained.The test results showed that the ductile failure occurred in all specimens under the two strain rates.Compared with the unrolled plate,the elastic modulus and yield strength of the material at the slope of W-beam were decread by 9%and 10%, respectively,while tho at the center of W-beam were incread by 20% and 6%, respectively.Besides,for the materials at the slope and center of W-beam,the tensile strength had 4%maximum decline comparing to the unrolled plate,while the percentage elongation after fracture had
收稿日期：2020-12-24
基金项目：中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目（2017-9062)
作者简介：杨曼娟（1982-)，女，高级工程师，主要从事公路安全防护设施研究。E-mail:***************
‘联系作者：刘芳芳（1993-)，女，博士研究生，主要从事工程结构防撞击研究。E-mail:LiUF angfang@emailS.bjUt.edU
Structural Engineers Vol. 37，No. 2•130 •Experiment Study
13% and 35%maximum improvement,respectively.With the increasing strain rate,the yield strength,tensile strength and percentage elongation after fracture of the materials under quasi-static loading condition had 9%, 1%and 29% maximum improvement respectively than tho under static loading condition.In terms of the percentage total extension at maximum force,27%maximum decline was obrved.
Keywords Q235B W-beam,sampling location,static,quasi-static,uniaxial tensional stress-strain curve, mechanical parameters
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乳制 T.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1i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：P (GB/T2975_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-16，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'护栏板摩擦系数:7:、防阻块安装角度和丢失8、结构形式[9“°]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
hybridoma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/T31439.1 —2015 4。在制作试件时，按照规范GB/T20832—2007 n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r.为符合规范GB/T 228.1—2010[12]和GB/T30069.2—2016U3]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。
差不多英文
(a)主要组成（b>取样位置
journey图1波形梁护栏结构图
Fig. 1Components of W-beam guardrail
如表l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
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(a)静态试验
(b)准静态试验
图2试件几何尺寸(单位:mm)
Fig.2 Geometric dimensions of specimens (Unit： m m)
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。波形梁及未乳制的 平板母材材料化学成分如表2所示。
表1试件编号
Table 1Abbreviation of specimens
取样位置静态(S)准静态(Q S)波形梁斜面位置(B X)B X-S B X-Q S
波形梁中间位置(B Z)B Z-S B Z-Q S
未轧制的平板母材(P)P-S P-Q S
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 not-
rolled plate material (mass ratio/%)
化学成分C Si Mn P S
主板英文Q235B钢0.1600.0800.2000.0210.006 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[|2]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」4：和 GB/T30069.2—2016 13]指出准 静态材料应变率范围为规范还指出，弹性杆型系统适用应变率范围为1〇2s-'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-]。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'应 变采用25 mm标距引伸计测量（图3(a))；准静态试验采用Zwick/Roel]Z100拉伸试验机，设置应变 率为0.01 s'应变采用全自动引伸计测量（图3 (b))，引伸计标距设为20 mm。
(a)M T S材料试验系统（b)Z w i c k/R o e l l Z l O O拉伸试验机
tres
图3试验测试装置
Fig.3 Test tup
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，表明材料均为軔性断裂[15]。
(b)准静态试验
图4 B X试件的最终塑性变形
Fig.4 Final plastic deformation of B X 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。
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Experiment Study
5 10 15 20 25 30 35 40
应变£ / %(a > B X 试件
5 10 15 20 25 30 35 40 45
应变e / %(b ) B Z 试件图5
静态应力-应变曲线
F i g .5 S t a t i c s t r e s s -s t r a i n c u r v e s
教育部考试中心托福
5
10 15 20 25 30 35
应变e / %(c ) P 试件
450 400 350 ^ 300 2 250
^ 200
m iso
100
50
P -1
P -2P -3■ A v e ra g e c u rv e
5 10 15 20 25 30 35 40 45
应变s / %(a ) B X 试件 5 10 15 20 25 30 35 40 45
应变s / %(b ) B Z 试件 图6
准静态应力-应变曲线
F i g .6 Q u a s i -s t a t i c s t r e s s -s t r a i n c u r v e s
经过乳制后Q 235 B 板材的材料屈服平台消 失，乳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 /、抗拉强度/…和断裂强度/，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e =0.2%时对应的应力 (图7(b ))。弹性模量£、抗拉强度和断裂强度对 应的最大力总延伸率和断后伸长率4 151是衡量 钢材变形能力的重要变形指标。
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。
5 10 15 20 25 30 35 40 45
应变s / %(c ) P 试件
黑月亮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
(b )不带屈服平台
图7
各力学指标的定义
F i g .7 D e f i n i t i o n o f m e c h a n i c a l p a r a m e t e r s
5(0(5(0(5(0(5(0( 4
4 3
3 2 2 1 —-
w d w
/b -R i ^l
C 3d 5b -R i l
1
•试验研究••133 •结构工程师第37卷第2期
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 工况静态(S)准静态(QS)取样位置B X试件B Z试件P试件B X试件B Z试件P试件
强度指标屈服强度/y
/M P a
252285265269—305
252-288277312280
253296285275310296平均值252291279274311294标准差s0.587.7812.50 4.16 1.4112.66变异系数仏0.000.030.040.020.000.04抗拉强度/u
/M P a
392401385416—424
390—420420424435
394406416417424444平均值392404407418424434标准差s 2.00 3.5419.16 2.080.0010.02变异系数(^0.010.010.050.000.000.02断裂强度乂
/M P a
反省英文298271288276—286
294-316278283312
299272297276280316平均值297272300277282305标准差s 2.650.7114.29 1.15 1.5016.29变异系数C v0.010.000.050.000.010.05
变形指标弹性模量E/G P a188243204170225187
最大力总延
伸率\/%
22182016—17
22—21171718
221820161617平均值221820161717标准差s0.000.090.260.580.710.58变异系数C v0.000.010.010.040.040.03
断后伸长率4/%
35413143—43
35-32424239
364230444337平均值354231434340标准差s0.580.71 1.00 1.000.71 3.06变异系数C v0.020.020.030.020.020.08
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。
3.2弹性模量£
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[IM7]。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。
3.3屈服强度，和抗拉强度/u
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
