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該將材料放置在梁應力最高的區(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）供應的220層碳纖維/環(huán)氧樹脂預浸料的矩形梁和一個自制的高壓釜。

　　之后Cesternino設計了將碳纖維增強梁連接在鋼梁雙腹板內的解決方案。 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 復合材料與工程中心（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置進行了測試，支撐設置為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。

　　華盛頓州立大學復合材料與工程中心（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用技術服務公司（Chesapeake，VA，US）進行了第二輪測試。 將三點彎曲再次應用于來自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。”他還補充說，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、桁架結構和鐵路連接中。

　　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。他期待著復合材料供應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。