超强钢梁——钢与碳纤维共用，掀起结构钢革命新浪潮

2017-08-09 10:09:17 作者：本网整理来源：材料科技在线分享至：

采用碳纤维增强塑料（CFRP）来加固钢梁的这种新方法将使得钢梁承载能力提高75％以上，从而在保持传统的螺栓连接和焊接附件的同时实现显著的小型化。

用碳纤维来增强钢梁的想法并不新鲜。增强钢梁的方法包括在工字钢上涂覆碳纤维和环氧树脂，以及波音公司的专利，即使用碳纤维增强塑料（CFRP）板来增强工字钢。

Wingman Industries（美国弗吉尼亚州卡拉威）创始人AJ Cesternino的专利采用的是与以上不同的做法。在凸缘中使用碳纤维增强塑料确实应该将材料放置在梁应力最高的区域中，从而可以在强度方面能获得最大的优势。但是，它并没有解决如何在不穿过纤维的情况下安装该梁的问题，而且也不能解决潜在的分层问题。然而，通过将碳纤维增强塑料嵌入到工字钢的腹板中生产的新型超强钢梁不仅可以对法兰进行标准螺栓连接，而且如果将其与未增强的工字钢相比极限载荷会增加75％以上。

碳纤维增强塑料强化的超级钢梁与未强化的工字型钢梁的试验结果

发展超强钢梁的想法由来

超强钢梁的发明者AJ Cillinino在卡车行业工作了40多年。他说：“像许多人一样，我一直在等待碳纤维给我们这个行业所带来的有利之处。”虽然已经有相关的开发项目，如沃尔玛的制造先进车辆经验和美国能源部的“超级卡车”计划，但在拖车底盘中还没有更多应用碳纤维增强塑料。

Cesternino厌倦了等待，便动手改进了卡车拖车底盘中使用的钢梁，但很快就发现到了同样的问题：如何在避免产生会穿过纤维的螺栓孔的情况下增强钢梁；以及如何连接碳纤维增强塑料才不会产生分层的风险。

Cesternino的想法是使用带有两个腹板的工字型钢。然后将碳纤维增强塑料等强化元素插入两个腹板之间，保持凸缘自由以进行标准螺栓连接。为了在内部创建双幅梁，Cesternino简单地将两个工字钢焊在一起。

下一步是开发碳纤维增强塑料强化元素。拉伸碳纤维增强工字钢可以从多个供应商那儿轻松获得，并且长度上可满足于拖车底盘。尽管Cesternino在后期努力中确实使用了这些，但他最初是从零开始的，制造了由Hexcel（斯坦福，美国康奈提格州，美国）供应的220层碳纤维/环氧树脂预浸料的矩形梁和一个自制的高压釜。

之后Cesternino设计了将碳纤维增强梁连接在钢梁双腹板内的解决方案。在该空间注入0.125和0.25英寸（3.2-6.4毫米）之间的环氧化合物，可以将碳纤维增强塑料粘合到工字钢上，包裹并保护碳纤维增强塑料免受损坏，并吸收钢与碳纤维增强塑料之间由于温度和载荷所带来的的膨胀、变形等任何差异。

Wingman Industries的超级钢梁使用环氧化合物将碳纤维复合强化梁粘合在双腹板的工字钢的腹板之间来源：Wingman Industries

对超强钢梁设计理念的测试

2009年，Cesternino将他原始的超级钢梁试验件送到华盛顿州立大学复合材料与工程中心（CMEC）进行测试和评估。测试梁长约9英尺（2.7米），深度为5.375英寸（137毫米），宽度为4英寸（102毫米），由两块大小为4×7.7不锈钢工字钢组合在一起制成，预浸料碳纤维增强塑料梁大致为 2英寸×3英寸（51毫米×76毫米），其位于钢梁腹板之间，使用环氧弹性体化合物与钢梁腹板接合。该碳纤维增强塑料钢超级钢梁使用三点负载和简单的梁弯曲设置进行了测试，支撑设置为100.8125英寸（2.56米）。单点载荷以0.5英寸（12.7mm）每分钟的速度施加到最大载荷为43409磅，中心线偏转为4.17英寸（106mm），最终碳纤维增强塑料梁中产生剪切破坏。

华盛顿州立大学复合材料与工程中心（CMEC）报道说，碳纤维增强塑料强化的超强钢梁本身的屈服强度比不锈钢钢梁高出92％，而其承载能力比不锈钢钢梁高出103％。

2009年来自CMEC在WSU的超光束测试结果。数据来源：Wingman Industries和CMEC，华盛顿州立大学。

受到初步测试结果的鼓舞，Cesternino继续开发超级钢梁的理念，并在2016年使用独立的测试公司应用技术服务公司（Chesapeake，VA，US）进行了第二轮测试。将三点弯曲再次应用于来自Strongwell（Bristol，VA，US）的拉挤成型的碳纤维增强塑料工字钢，以及使用环氧化合物将拉挤成型的碳纤维增强塑料与钢结合的超强钢梁。支撑距离为9英尺（2.7米），横梁使用2.5英寸（63.5毫米）铝辊，并以0.125英寸（3.2毫米）每分钟的速度装载。

应用技术服务公司的3点弯曲试验设备中的工字钢图片来源：Wingman Industries及应用技术服务公司

在第二轮测试中，碳纤维增强塑料强化钢超级钢梁的载荷能力比非强化钢梁增加了76％。虽然在WSU的初始测试中由预浸料制成的碳纤维增强塑料矩形梁的性能比在ATS测试的拉挤成型碳纤维增强塑料工字钢要高得多，但前者是比较昂贵的。

应用技术服务公司2016年测试的超级钢梁测试结果数据来源：Wingman Industries和ATS

走向商业化

Cesternino解释了在使用性能上更超强钢梁可能带来的好处：“您可以使用16或18英寸钢梁来处理相同的负载，而不是使用标准的36英寸钢梁。较小的钢梁也就意味着需要更少的钢材，从而重量更轻、更易于运输而且也更易于安装。”他还补充说，也可以保留目前规定的尺寸，但负载能力会大大增加。

由于超级钢梁凸缘易于螺栓连接到现有的结构，因此可用于改造桥梁和其他基础设施，延长使用时间而不会在安装过程中中断交通图片来源：Wingman Industries

Cesternino说：“我们开发了一个桥梁改造系统，可以将超强钢梁焊接或锚定到当前的大梁上，而不会阻碍交通，并将桥梁的使用寿命延长至少五十到六十年。”超强钢梁正在探索的其他应用还包括高负载减重卡车拖车和多层拖车、RV和露营车底盘等。其所包含的基本理念也扩展到杆、桁架结构和铁路连接中。

超级钢梁的概念已经扩展到为桁架结构和铁路连接减轻重量、提高承载能力中图片来源：Wingman Industries

Cesternino现在专注于与行业伙伴合作，将超强钢梁的生产工业化，并通过改进重量、负载能力和安装方面的问题，实现与传统钢梁的成本平价。他还在继续探索将碳纤维增强工字钢简化成简单的矩形梁、板。Cesternino指出，任何侧向载荷都可以通过钢制的工字钢凸缘来有效地处理。他期待着复合材料供应商和制造商能就如何最具成本效益地生产这些碳纤维增强塑料钢梁提出自己的想法。

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