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超強(qiáng)鋼梁——鋼與碳纖維共用，掀起結(jié)構(gòu)鋼革命新浪潮

2017-08-09 10:09:17 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：材料科技在線分享至：

采用碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）來(lái)加固鋼梁的這種新方法將使得鋼梁承載能力提高75％以上，從而在保持傳統(tǒng)的螺栓連接和焊接附件的同時(shí)實(shí)現(xiàn)顯著的小型化。

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

Wingman Industries（美國(guó)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(qiáng)塑料確實(shí)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(qiáng)度方面能獲得最大的優(yōu)勢(shì)。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(qiáng)塑料嵌入到工字鋼的腹板中生產(chǎn)的新型超強(qiáng)鋼梁不僅可以對(duì)法蘭進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)螺栓連接，而且如果將其與未增強(qiáng)的工字鋼相比極限載荷會(huì)增加75％以上。

碳纖維增強(qiáng)塑料強(qiáng)化的超級(jí)鋼梁與未強(qiáng)化的工字型鋼梁的試驗(yàn)結(jié)果

發(fā)展超強(qiáng)鋼梁的想法由來(lái)

超強(qiáng)鋼梁的發(fā)明者AJ Cillinino在卡車行業(yè)工作了40多年。他說(shuō)：“像許多人一樣，我一直在等待碳纖維給我們這個(gè)行業(yè)所帶來(lái)的有利之處。”雖然已經(jīng)有相關(guān)的開發(fā)項(xiàng)目，如沃爾瑪?shù)闹圃煜冗M(jìn)車輛經(jīng)驗(yàn)和美國(guó)能源部的“超級(jí)卡車”計(jì)劃，但在拖車底盤中還沒有更多應(yīng)用碳纖維增強(qiáng)塑料。

Cesternino厭倦了等待，便動(dòng)手改進(jìn)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(huì)穿過纖維的螺栓孔的情況下增強(qiáng)鋼梁；以及如何連接碳纖維增強(qiáng)塑料才不會(huì)產(chǎn)生分層的風(fēng)險(xiǎn)。

Cesternino的想法是使用帶有兩個(gè)腹板的工字型鋼。然后將碳纖維增強(qiáng)塑料等強(qiáng)化元素插入兩個(gè)腹板之間，保持凸緣自由以進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)螺栓連接。為了在內(nèi)部創(chuàng)建雙幅梁，Cesternino簡(jiǎn)單地將兩個(gè)工字鋼焊在一起。

下一步是開發(fā)碳纖維增強(qiáng)塑料強(qiáng)化元素。拉伸碳纖維增強(qiáng)工字鋼可以從多個(gè)供應(yīng)商那兒輕松獲得，并且長(zhǎng)度上可滿足于拖車底盤。盡管Cesternino在后期努力中確實(shí)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(guó)康奈提格州，美國(guó)）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(gè)自制的高壓釜。

之后Cesternino設(shè)計(jì)了將碳纖維增強(qiáng)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(qiáng)塑料粘合到工字鋼上，包裹并保護(hù)碳纖維增強(qiáng)塑料免受損壞，并吸收鋼與碳纖維增強(qiáng)塑料之間由于溫度和載荷所帶來(lái)的的膨脹、變形等任何差異。

Wingman Industries的超級(jí)鋼梁使用環(huán)氧化合物將碳纖維復(fù)合強(qiáng)化梁粘合在雙腹板的工字鋼的腹板之間來(lái)源：Wingman Industries

對(duì)超強(qiáng)鋼梁設(shè)計(jì)理念的測(cè)試

2009年，Cesternino將他原始的超級(jí)鋼梁試驗(yàn)件送到華盛頓州立大學(xué)復(fù)合材料與工程中心（CMEC）進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估。測(cè)試梁長(zhǎng)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(qiáng)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(qiáng)塑料鋼超級(jí)鋼梁使用三點(diǎn)負(fù)載和簡(jiǎn)單的梁彎曲設(shè)置進(jìn)行了測(cè)試，支撐設(shè)置為100.8125英寸（2.56米）。單點(diǎn)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(qiáng)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(bào)道說(shuō)，碳纖維增強(qiáng)塑料強(qiáng)化的超強(qiáng)鋼梁本身的屈服強(qiáng)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％。

2009年來(lái)自CMEC在WSU的超光束測(cè)試結(jié)果。數(shù)據(jù)來(lái)源：Wingman Industries和CMEC，華盛頓州立大學(xué)。

受到初步測(cè)試結(jié)果的鼓舞，Cesternino繼續(xù)開發(fā)超級(jí)鋼梁的理念，并在2016年使用獨(dú)立的測(cè)試公司應(yīng)用技術(shù)服務(wù)公司（Chesapeake，VA，US）進(jìn)行了第二輪測(cè)試。將三點(diǎn)彎曲再次應(yīng)用于來(lái)自Strongwell（Bristol，VA，US）的拉擠成型的碳纖維增強(qiáng)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(qiáng)塑料與鋼結(jié)合的超強(qiáng)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。

應(yīng)用技術(shù)服務(wù)公司的3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)設(shè)備中的工字鋼圖片來(lái)源：Wingman Industries及應(yīng)用技術(shù)服務(wù)公司

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

應(yīng)用技術(shù)服務(wù)公司2016年測(cè)試的超級(jí)鋼梁測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)來(lái)源：Wingman Industries和ATS

走向商業(yè)化

Cesternino解釋了在使用性能上更超強(qiáng)鋼梁可能帶來(lái)的好處：“您可以使用16或18英寸鋼梁來(lái)處理相同的負(fù)載，而不是使用標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)輸而且也更易于安裝。”他還補(bǔ)充說(shuō)，也可以保留目前規(guī)定的尺寸，但負(fù)載能力會(huì)大大增加。

由于超級(jí)鋼梁凸緣易于螺栓連接到現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)，因此可用于改造橋梁和其他基礎(chǔ)設(shè)施，延長(zhǎng)使用時(shí)間而不會(huì)在安裝過程中中斷交通圖片來(lái)源：Wingman Industries

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

超級(jí)鋼梁的概念已經(jīng)擴(kuò)展到為桁架結(jié)構(gòu)和鐵路連接減輕重量、提高承載能力中圖片來(lái)源：Wingman Industries

Cesternino現(xiàn)在專注于與行業(yè)伙伴合作，將超強(qiáng)鋼梁的生產(chǎn)工業(yè)化，并通過改進(jìn)重量、負(fù)載能力和安裝方面的問題，實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)鋼梁的成本平價(jià)。他還在繼續(xù)探索將碳纖維增強(qiáng)工字鋼簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)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(lái)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(qiáng)塑料鋼梁提出自己的想法。

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