用碳纖維來增強鋼梁的想法并不新鮮。增強鋼梁的方法包括在上涂覆碳纖維和環(huán)氧樹脂，以及波音公司的專利，即使用碳纖維增強塑料（CFRP）板來增強工字鋼。

　　Wingman Industries（美國弗吉尼亞州卡拉威）創(chuàng)始人AJ Cesternino的專利采用的是與以上不同的做法。在凸緣中使用碳纖維增強塑料確實應(yīng)該將材料放置在梁應(yīng)力最高的區(qū)域中，從而可以在強度方面能獲得最大的優(yōu)勢。但是，它并沒有解決如何在不穿過纖維的情況下安裝該梁的問題，而且也不能解決潛在的分層問題。然而，通過將碳纖維增強塑料嵌入到工字鋼的腹板中生產(chǎn)的新型超強鋼梁不僅可以對法蘭進行標準螺栓連接，而且如果將其與未增強的工字鋼相比極限載荷會增加75％以上。

　　碳纖維增強塑料強化的超級鋼梁與未強化的工字體鋼梁的試驗結(jié)果

　　發(fā)展超強鋼梁的想法由來

　　超強鋼梁的發(fā)明者AJ Cillinino在卡車行業(yè)工作了40多年。他說：“像許多人一樣，我一直在等待碳纖維給我們這個行業(yè)所帶來的有利之處。”雖然已經(jīng)有相關(guān)的開發(fā)項目，如沃爾瑪?shù)闹圃煜冗M車輛經(jīng)驗和美國能源部的“超級卡車”計劃，但在拖車底盤中還沒有更多應(yīng)用碳纖維增強塑料。

　　Cesternino厭倦了等待，便動手改進了卡車拖車底盤中使用的鋼梁，但很快就發(fā)現(xiàn)到了同樣的問題：如何在避免產(chǎn)生會穿過纖維的螺栓孔的情況下增強鋼梁；以及如何連接碳纖維增強塑料才不會產(chǎn)生分層的風險。

　　Cesternino的想法是使用帶有兩個腹板的工字體鋼。然后將碳纖維增強塑料等強化元素插入兩個腹板之間，保持凸緣自由以進行標準螺栓連接。為了在內(nèi)部創(chuàng)建雙幅梁，Cesternino簡單地將兩個工字鋼焊在一起。

　　下一步是開發(fā)碳纖維增強塑料強化元素。拉伸碳纖維增強工字鋼可以從多個供應(yīng)商那兒輕松獲得，并且長度上可滿足于拖車底盤。盡管Cesternino在后期努力中確實使用了這些，但他最初是從零開始的，制造了由Hexcel（斯坦福，美國康奈提格州，美國）供應(yīng)的220層碳纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料的矩形梁和一個自制的高壓釜。

　　之后Cesternino設(shè)計了將碳纖維增強梁連接在鋼梁雙腹板內(nèi)的解決方案。 在該空間注入0.125和0.25英寸（3.2-6.4毫米）之間的環(huán)氧化合物，可以將碳纖維增強塑料粘合到工字鋼上，包裹并保護碳纖維增強塑料免受損壞，并吸收鋼與碳纖維增強塑料之間由于溫度和載荷所帶來的的膨脹、變形等任何差異。

　　對超強鋼梁設(shè)計理念的測試

　　2009年，Cesternino將他原始的超級鋼梁試驗件送到華盛頓州立大學(xué) 復(fù)合材料與工程中心（CMEC）進行測試和評估。測試梁長約9英尺（2.7米），深度為5.375英寸（137毫米），寬度為4英寸（102毫米），由兩塊大小為4×7.7不銹鋼工字鋼組合在一起制成，預(yù)浸料碳纖維增強塑料梁大致為 2英寸×3英寸(51毫米×76毫米)，其位于鋼梁腹板之間，使用環(huán)氧彈性體化合物與鋼梁腹板接合。該碳纖維增強塑料鋼超級鋼梁使用三點負載和簡單的梁彎曲設(shè)置進行了測試，支撐設(shè)置為100.8125英寸（2.56米）。單點載荷以0.5英寸（12.7mm）每分鐘的速度施加到最大載荷為43409磅，中心線偏轉(zhuǎn)為4.17英寸（106mm），最終碳纖維增強塑料梁中產(chǎn)生剪切破壞。

　　華盛頓州立大學(xué)復(fù)合材料與工程中心（CMEC）報道說，碳纖維增強塑料強化的超強鋼梁本身的屈服強度比不銹鋼鋼梁高出92％，而其承載能力比不銹鋼鋼梁高出103％。

　　受到初步測試結(jié)果的鼓舞，Cesternino繼續(xù)開發(fā)超級鋼梁的理念，并在2016年使用獨立的測試公司應(yīng)用技術(shù)服務(wù)公司（Chesapeake，VA，US）進行了第二輪測試。 將三點彎曲再次應(yīng)用于來自Strongwell（Bristol，VA，US）的拉擠成型的碳纖維增強塑料工字鋼，以及使用環(huán)氧化合物將拉擠成型的碳纖維增強塑料與鋼結(jié)合的超強鋼梁。支撐距離為9英尺（2.7米），橫梁使用2.5英寸（63.5毫米）鋁輥，并以0.125英寸（3.2毫米）每分鐘的速度裝載。

　　在第二輪測試中，碳纖維增強塑料強化鋼超級鋼梁的載荷能力比非強化鋼梁增加了76％。雖然在WSU的初始測試中由預(yù)浸料制成的碳纖維增強塑料矩形梁的性能比在ATS測試的拉擠成型碳纖維增強塑料工字鋼要高得多，但前者是比較昂貴的。

　　走向商業(yè)化

　　Cesternino解釋了在使用性能上更超強鋼梁可能帶來的好處：“您可以使用16或18英寸鋼梁來處理相同的負載，而不是使用標準的36英寸鋼梁。較小的鋼梁也就意味著需要更少的鋼材，從而重量更輕、更易于運輸而且也更易于安裝?！彼€補充說，也可以保留目前規(guī)定的尺寸，但負載能力會大大增加。

　　Cesternino說：“我們開發(fā)了一個橋梁改造系統(tǒng)，可以將超強鋼梁焊接或錨定到當前的大梁上，而不會阻礙交通，并將橋梁的使用壽命延長至少五十到六十年。”超強鋼梁正在探索的其他應(yīng)用還包括高負載減重卡車拖車和多層拖車、RV和露營車底盤等。其所包含的基本理念也擴展到桿、桁架結(jié)構(gòu)和鐵路連接中。

　　Cesternino現(xiàn)在專注于與行業(yè)伙伴合作，將超強鋼梁的生產(chǎn)工業(yè)化，并通過改進重量、負載能力和安裝方面的問題，實現(xiàn)與傳統(tǒng)鋼梁的成本平價。他還在繼續(xù)探索將碳纖維增強工字鋼簡化成簡單的矩形梁、板。Cesternino指出，任何側(cè)向載荷都可以通過鋼制的工字鋼凸緣來有效地處理。他期待著復(fù)合材料供應(yīng)商和制造商能就如何最具成本效益地生產(chǎn)這些碳纖維增強塑料鋼梁提出自己的想法。