工程科學學報

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月刊，1955年創刊

ISSN 2095-9389

CN 10-1297/TF

主管單位：教育部

主辦單位：北京科技大學

編　　輯：《工程科學學報》編輯部

出　　版：科學出版社

主任委員：楊仁樹

副主任委員(主編)：吳愛祥

地　　址：北京市海淀區學院路30號

電　　話：(010)62333436

傳　　真：(010)62333436

郵發代碼：82-303

國內發行：北京報刊發行局

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單　　價：40元/期，全年480元

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2017年第39卷第11期

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氣味污染評價技術及典型垃圾處理工藝污染特征研究進展

吳傳東, 劉杰民, 劉實華, 顏魯春, 趙鵬, 舒木水

2017, 39(11): 1607-1616. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.001

[摘要](787)

[PDF 362KB](28) [施引文獻] ()

摘要:
典型環境氣味污染物由于異味刺激性強、影響范圍廣、嚴重影響周邊居民的生活和身心健康而受到廣泛關注.圍繞氣味污染的評價技術和典型區域污染特征,國內外許多學者開展了深入的研究,在氣味污染物采集和分析技術、氣味濃度預測技術、典型垃圾處理工藝的氣味污染特征等方面取得了較大進展.本文綜合近年的氣味污染研究現狀,總結了氣味污染的評價和預測技術,分析了典型垃圾處理工藝的氣味污染特征、控制技術和未來的研究方向.

海水鱸魚鱗片及鰭骨中羥基磷灰石的X射線極圖法和ODF法擇優取向分析

苑蕾, 王河錦, 安佳麗, 張楠, 王冠玉

2017, 39(11): 1617-1625. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.002

[摘要](648)

[PDF 1209KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
采用X射線衍射采集海水鱸魚鱗片中羥基磷灰石(002)、(130)、(211)面網和鰭骨中羥基磷灰石(031)、(120)、(132)面網極圖數據并計算了取向分布函數(ODF)以分析其擇優取向特征,其中鱗片極圖數據顯示出羥基磷灰石結晶學c軸主要有3個擇優取向,分別是與鱗片法線方向平行、相交39°和相交63°,而鰭骨極圖推測出其羥基磷灰石c軸擇優取向大致有五個方向,分別與鰭骨截面法線相交3°、9°、17°、24°和36°.ODF的計算結果表明,鱗片中羥基磷灰石有比較明顯的擇優取向是結晶學c軸近似平行于鱗片表面,同樣,鰭骨ODF中羥基磷灰石擇優取向為結晶學c軸近垂直于截面.極圖和ODF結果上的差別是由于極圖本身是晶體取向的二維投影圖,單張極圖顯示的擇優信息不夠完整,因此ODF用來解析生物礦物的擇優取向特征更為準確.鱗片和鰭骨中羥基磷灰石結構中的擇優取向現象是因為生物礦化過程中有機質的調控作用而使結晶學c軸趨向平行膠原纖維長軸方向,并且這種擇優特征也是硬體組織具有優良力學性能的要求.

石膏圍巖隧道襯砌結構破壞模式及時變可靠度模型

陳釩, 吳順川, 任松, 李振元

2017, 39(11): 1626-1633. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.003

[摘要](648)

[PDF 473KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
石膏圍巖具有很強的膨脹性和腐蝕性,在隧道全壽命周期內均會引起襯砌結構自身強度劣化及受力增加,嚴重影響隧道二次襯砌結構可靠性.針對石膏圍巖膨脹特性和腐蝕性對隧道二次襯砌結構的影響分別建立了二次襯砌結構膨脹破壞模式和腐蝕破壞模式;考慮石膏圍巖膨脹性和腐蝕性對隧道襯砌結構的綜合影響,建立了石膏圍巖隧道二次襯砌結構綜合破壞模式;基于結構體功能函數,推導出能夠初步考慮圍巖膨脹性和腐蝕性的隧道襯砌結構可靠度指標計算公式;并分別建立了三種破壞模式下的時變可靠度分析模型.采用石膏圍巖隧道襯砌結構綜合破壞模式下的時變可靠度模型對禮讓隧道進行了分析,得到其在使用壽命100 a內的可靠度指標變化規律.根據計算結果可以優化石膏圍巖隧道襯砌結構的抗腐蝕、抗膨脹和支護結構設計參數,并對石膏圍巖隧道使用壽命周期內的合理維護及維修提供依據.研究成果可推廣應用于隧道襯砌結構的可靠度研究中.

循環動力擾動下花崗巖細觀損傷特性試驗研究

鄧紅衛, 劉傳舉, 柯波, 王遠, 張亞南

2017, 39(11): 1634-1639. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.004

[摘要](737)

[PDF 715KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
為研究循環動力擾動下巖石細觀損傷特性,本文選取花崗巖為研究對象,利用分離式霍普金森壓桿(SHPB)進行循環沖擊試驗,并結合核磁共振系統(NMR),得到了循環動力擾動后花崗巖孔隙度、橫向弛豫時間T₂譜分布以及核磁共振圖像(MRI).試驗結果表明:在巖石彈性極限范圍內,動力擾動結束后,巖石材料孔隙度降低;初始與最終橫向弛豫時間T₂縮短,循環擾動過程促使了小孔隙生成,大孔隙尺寸與數量減小;孔隙度降低不意味著所有類型孔隙的數量均減少,相反小孔隙數量是增加的,大孔隙數量減少是動力擾動后花崗巖孔隙度降低的根本原因.

赤泥基似膏體充填材料水化特性研究

陳蛟龍, 張娜, 李恒, 趙喜彬, 劉曉明

2017, 39(11): 1640-1646. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.005

[摘要](1011)

[PDF 773KB](24) [施引文獻] ()

摘要:
以赤泥、煤矸石等工業固廢為主要原料制備赤泥基似膏體充填材料,采用X射線衍射分析、傅氏轉換紅外線光譜分析、熱重-示差掃描量熱分析和掃描電子顯微鏡-能譜分析等測試手段研究赤泥基似膏體充填材料的水化特性.結果表明,本試驗條件下,赤泥基似膏體充填材料的最優配比為編號E03試驗,即膠結料:赤泥:煤矸石:添加劑質量比為1:16:5:11,固相的質量分數為70%,28 d單軸抗壓強度為5.49 MPa.赤泥基似膏體充填材料不同齡期的水化產物主要為斜方鈣沸石(CaAl₂Si₂O₈·4H₂O)和鈣礬石(AFt),隨著水化反應的進行,水化產物的數量明顯增多,且鈣礬石由水化初期的針狀逐漸轉變為棒狀,有助于充填體強度的發展.

碳/氧化鋅納米線陣列/泡沫石墨烯電化學檢測葉酸

王寶, 林軒宇, 黃碩, 高鑫, 姚龍輝, 岳紅彥

2017, 39(11): 1647-1652. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.006

[摘要](815)

[PDF 539KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
通過化學氣相沉積法制備三維(3D)泡沫石墨烯(GF),然后利用水熱合成法在泡沫石墨烯表面生長氧化鋅納米線陣列(ZnO NWAs),再利用化學氣相沉積法在其表面沉積碳(C),得到碳/氧化鋅納米線陣列/泡沫石墨烯(C/ZnO NWAs/GF)復合材料.用該復合材料做電極,采用電化學方法檢測葉酸(FA).結果表明,三維泡沫石墨烯具有和模板泡沫鎳一樣的三維孔狀結構,ZnO NWAs均勻且垂直地生長在泡沫石墨烯表面,碳沉積在ZnO NWAs表面.在線性范圍為0~60 μmol·L^-1內,C/ZnO NWAs/GF電極檢測FA時,靈敏度為0.13 μA·μmol^-1·L,且在尿酸(UA)干擾下檢測FA具有良好的選擇性.C/ZnONWAs/GF電極有良好的穩定性和重復性.

基于最小Gibbs自由能原理的鐵氧化物氣固還原熱力學研究

李彬, 郭漢杰, 郭靖, 孫貫永

2017, 39(11): 1653-1660. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.007

[摘要](935)

[PDF 934KB](28) [施引文獻] ()

摘要:
基于最小Gibbs自由能原理建立了鐵氧化物氣固還原反應的熱力學模型,由模型計算結果作出鐵氧化物氣固還原反應平衡圖,與文獻中實驗數據吻合良好.與常用冶金學教材和熱力學數據庫中給出的參考數據進行了對比,不同來源的熱力學數據差異較大.探究了鐵氧化物逐級還原的熱力學平衡情況.計算了CO和H₂混合氣體還原鐵氧化物的熱力學平衡,推導了平衡時氣體總利用率η_總的計算公式,作出了CO和H₂混合氣體還原鐵氧化物的三維平衡圖,并與文獻中實驗數據對比,驗證了結果的正確性.

Q420C角鋼鑄坯凝固傳熱分析及AlN析出控制

汪成義, 崔懷周, 趙斌, 肖金福, 吳巍

2017, 39(11): 1661-1668. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.008

[摘要](1241)

[PDF 754KB](17) [施引文獻] ()

摘要:
為研究Q420C角鋼在大矯直應變過程中的鑄坯凝固傳熱行為以及AlN析出對鑄坯和軋材質量的影響,本文通過ProCAST模擬軟件和射釘試驗,對不同參數條件下鑄坯表面和角部溫度以及坯殼厚度等進行模擬計算,并提出了凝固坯殼厚度修正公式.通過Gleeble實驗得出,鑄坯在1008~1364℃溫度范圍內時具有較好的熱塑性.對AlN析出的熱力學和動力學研究表明,鑄坯應避開在AlN析出"窗口"內矯直,軋制前加熱爐均熱溫度控制在1160~1200℃,終軋溫度控制在850℃以上可減少AlN在奧氏體晶界沉淀析出.經過工藝試驗,成功開發出Q420C角鋼,軋材平均合格率達到90%,綜合性能指標滿足要求.

CaO-TiO₂-Fe₂O₃三元系中Ca₃TiFe₂O₈的生成機理

項南, 郭玉峰, 郭興敏

2017, 39(11): 1669-1673. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.009

[摘要](672)

[PDF 496KB](19) [施引文獻] ()

摘要:
釩鈦磁鐵礦是燒結礦重要的原料之一,Ca₃TiFe₂O₈作為釩鈦燒結礦中礦物被發現之后,其生成機理尚不明確.本文采用X射線衍射分析、元素能譜分析和TG-DSC分析相結合的方法,研究了Ca₃TiFe₂O₈的生成機理以及不同溫度、CaO與TiO₂含量下Ca₃TiFe₂O₈的生成規律.實驗結果表明,Ca₃TiFe₂O₈由Ca₂ Fe₂O₅和CaTiO₃反應生成,即CaO和Fe₂O₃反應生成Ca₂ Fe₂O₅;其后,與CaTiO₃反應生成Ca₃TiFe₂O₈.反應時間越長,Ca₃TiFe₂O₈的生成量越大,但反應溫度對Ca₃TiFe₂O₈生成的影響并不明顯.另外,還發現CaO含量越高,Ca₃TiFe₂O₈越易于生成,而且等摩爾Fe₂O₃和CaO下只要存在TiO₂,就會有Ca₃TiFe₂O₈生成.

大型鍛件坯料內裂紋愈合的物理模擬

米國發, 張軍強, 徐斌, 孫明月

2017, 39(11): 1674-1683. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.010

[摘要](661)

[PDF 1761KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
針對鍛造過程中鋼錠內部裂紋缺陷的愈合情況進行研究,設計了裂紋愈合的實驗室模擬實驗與工業級模擬實驗.通過在Gleeble熱壓縮試樣中預制裂紋缺陷,研究了變形溫度和變形量對內部裂紋愈合的影響,發現變形溫度越高,變形量越大,內裂紋的愈合效果越好.為了驗證Gleeble實驗結果的準確性,保證其結果在實際鍛造生產中的適用性,設計了鍛件內部裂紋愈合的工業級模擬實驗.結果表明在1200℃,變形量為40%時,可以有效焊合鍛件內部裂紋.

含錫C-Mn鋼中錫的析出相

孫桂林, 宋波

2017, 39(11): 1684-1691. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.011

[摘要](838)

[PDF 1178KB](19) [施引文獻] ()

摘要:
利用掃描電鏡/能譜儀和透射電鏡表征了殘余元素Sn在C-Mn鋼中的存在形式,同時考察了熱處理溫度對含Sn析出相類型的影響.結果表明:Fe-5% Sn中Sn以第二相形式在晶界與晶內析出;Fe-1.5% Sn-0.2% S中Sn以第二相形式在直徑2~4 μm的球形MnS夾雜物上異質析出.透射電鏡分析和熱處理實驗結果表明:在Fe-5% Sn及Fe-1.5% Sn-0.2% S中MnS夾雜上析出的含Sn第二相結構為四方晶系的FeSn₂相.

鋅合金壓鑄用二元復合水溶性鹽芯的制備與性能

涂梭, 樊自田, 劉富初, 龔小龍

2017, 39(11): 1692-1698. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.012

[摘要](794)

[PDF 988KB](21) [施引文獻] ()

摘要:
針對復雜內腔鋅合金壓鑄件難清理及型芯強度要求高的問題,以高熔點鹽氯化鉀和低熔點鹽硝酸鉀組成混合鹽為制芯材料,采用熔融重力澆注工藝制備了高強度二元復合水溶性鹽芯.對比分析了氯化鉀鹽芯、硝酸鉀鹽芯和20% KCl-80% KNO₃二元復合水溶性鹽芯的性能特征.采用掃描電鏡和X射線衍射等測試方法分析了水溶性鹽芯的微觀形貌與物相組成.研究結果表明:與單質鹽芯相比,二元復合鹽芯綜合性能更佳,其表面基本無裂紋與褶皺,抗彎強度可達21.2 MPa,24 h吸濕率為0.568%,80℃的水溶速率可達208.63 kg·min^-1·m^-3.復合鹽芯在裂紋擴展時走向發生了偏轉,這是復合鹽芯抗彎強度提高的主要原因.

不同環境溫度下典型身管用鋼磨損性能研究

高文, 連勇, 黃進峰, 解國良, 張樂, 馬旻昱, 趙超, 張尊君, 劉凱, 張津

2017, 39(11): 1699-1708. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.013

[摘要](968)

[PDF 1740KB](33) [施引文獻] ()

摘要:
通過摩擦磨損、高溫硬度及相應的分析試驗研究了典型身管用鋼32Cr2MoVA、30SiMn2MoVA在室溫、200、400以及600℃下的摩擦磨損行為與規律.結果表明:兩種材料的摩擦系數在各個溫度區間內的區別不大,主要受摩擦氧化物產生與否影響.32Cr2MoVA的磨損率隨著溫度的提高先降低再提高之后又下降,30SiMn2MoVA的磨損率隨著溫度的上升而先降低,然后逐漸升高,600℃達到最高.溫度、身管鋼在高溫下的硬度和磨盤材料與滑動銷的高溫硬度差(H_d-H_p)共同影響磨損表面氧化物層的最終形態.室溫至200℃時,身管鋼磨損行為主要受表面氧化物層的影響.室溫下兩種身管鋼磨損機理均為黏著磨損及磨粒磨損,200℃時均為氧化輕微磨損.環境溫度達到400℃以上時,身管鋼以及磨盤材料的基體硬度開始影響磨損行為.400℃時兩種身管鋼磨損機理均為氧化嚴重磨損.600℃時,32Cr2MoVA的H_d-H_p減小,磨損表面出現了厚度很大、致密的氧化物層,磨損機理為氧化輕微磨損;而30SiMn2MoVA的H_d-H_p顯著增大,試樣發生了明顯的塑性擠出,為塑性擠出磨損.

難溶氣體對水潤滑軸承特性影響分析

楊雨謀, 馮明

2017, 39(11): 1709-1717. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.014

[摘要](728)

[PDF 778KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
水潤滑軸承相比傳統油潤滑軸承,憑借其獨特的優勢,在各類高速精密旋轉機械中均有重要應用.在實際工況中,潤滑水中不可避免的混入一定量的難溶氣體,參與整個潤滑過程.運用計算流體力學CFD軟件Fluent,基于氣液兩相流理論,對考慮湍流及氣穴效應的高速水潤滑軸承特性進行求解分析,研究難溶氣體的含量對軸承間隙氣相分布、壓力峰值、軸承性能等特性的影響.結果表明:在高速水潤滑軸承間隙中,氣相基本分布于發散楔中,且最大氣體體積分數存在于軸表面;在較小偏心情況下,一定量的難溶氣體使軸承間隙內氣相分布發生偏移,軸承承載力有所降低,但是對壓力峰值和摩擦功耗并無明顯影響;隨著軸承偏心的增加,影響逐漸消失.

考慮油膜阻力的直線滾動導軌副摩擦力建模與試驗

張巍, 王民, 孔德順

2017, 39(11): 1718-1726. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.015

[摘要](832)

[PDF 751KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
為了準確預測直線滾動導軌副的摩擦力大小及受影響因素,本文考慮導軌副的流體潤滑狀態,基于Hertz接觸理論研究了直線導軌副摩擦力受滾珠接觸角和預緊力的影響規律.基于接觸理論建立了直線導軌滑塊的受垂直載荷的靜力學平衡方程.利用Hertz接觸理論分析直線滾動導軌受外力時各列滾珠接觸力的變化情況,并結合對臨界載荷的分析,建立了隨外載荷變化的考慮潤滑油膜阻力的直線滾動導軌副摩擦力模型.以國產某型號直線滾動導軌副為研究對象,對所建立的受載摩擦力模型進行試驗驗證.通過試驗數據與理論數據的分析和對比,驗證了潤滑油膜阻力、接觸角和預緊力等因素對直線導軌副摩擦力的影響規律.研究表明,直線滾動導軌副摩擦力在潤滑條件下,受接觸角變化和預緊力退化的影響呈現有規律的變化.

基于光流方向信息熵統計的微表情捕捉

李丹, 解侖, 盧婷, 韓晶, 胡波, 王志良, 任福繼

2017, 39(11): 1727-1734. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.016

[摘要](651)

[PDF 667KB](20) [施引文獻] ()

摘要:
以光流法為依據,提出了一種基于光流方向信息熵(entropy of oriented optical flow,EOF)統計的方法捕捉微表情關鍵幀.首先,采用改進的Horn-Schunck光流法提取視頻流中相鄰兩幀圖像的微表情運動特征;其次,采用閾值分析法篩選出投影速度模值較大的光流向量;之后,采用圖像信息熵統計光流變化角度,進而得到視頻序列的方向信息熵向量,通過對熵向量的分析,實現微表情關鍵幀捕捉;最后,本實驗采用芬蘭奧盧大學的SMIC微表情數據庫和中國科學院心理研究所傅小蘭的CASME微表情數據庫作為實驗樣本,通過與傳統的幀差法比較,證明了本文提出的算法優于幀差法,能夠較好地表現出微表情變化趨勢,為微表情識別提供基礎.

基于自動多種子區域生長的遙感影像面向對象分割方法

閆東陽, 明冬萍

2017, 39(11): 1735-1742. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.017

[摘要](695)

[PDF 1057KB](20) [施引文獻] ()

摘要:
在遙感影像分割分類中,種子區域生長算法是一種常見的分割算法.傳統的種子區域生長算法只能提取單一連續的、紋理簡單的目標地物,而對具有復雜紋理和多光譜特征的遙感影像,分割時存在分割效果差、不能同時有效地提取多個地物的問題.針對以上問題,本文提出了一種改進的面向對象的自動多種子區域生長算法.該方法適用于同時提取多個目標地物,且分割效果好.該方法首先使用一種改進的中值濾波對影像進行平滑處理,使目標內部一致性更高,同時保留紋理信息.然后通過一定的準則進行自動種子選取并進行生長,最后對生長后的區域進行碎斑合并處理,最終得到多種對象的分割結果.本文采用三組不同大小的1 m空間分辨率的航空影像進行實驗,通過與分水嶺以及傳統單種子區域生長算法的多組實驗對比,發現該方法可以面向全局對象,自動選取覆蓋各種地物類型的種子,同時對多種地物目標進行分割處理,可為后續面向對象影像分析和應用提供可靠的數據基礎.

無人直升機自抗擾自適應軌跡跟蹤混合控制

姜辰, 王浩文, 李健珂, 李亮君

2017, 39(11): 1743-1752. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.018

[摘要](946)

[PDF 757KB](46) [施引文獻] ()

摘要:
為滿足無人直升機高精度軌跡跟蹤的控制需求,并降低直升機動力學模型誤差對飛行控制器飛行控制效果產生的影響,提出自抗擾自適應直升機混合控制.該控制器的內環控制采用模型跟隨自適應控制,通過使用動量反向傳播算法(MOBP)對該內環控制參數進行實時優化.通過使用自抗擾控制(ADRC)對直升機的水平速度進行控制.仿真結果表明,該混合控制器能夠實現直升機對預定軌跡的跟蹤.相對PID和級聯ADRC控制,該控制器具有更好的抗擾性和魯棒性.通過在200 kg級的專業植保無人直升機XV-2上搭載所提出的控制器,使其自主飛行軌跡跟蹤控制的均方根誤差在0.6 m以內.

組合式鋼框架內填預制RC墻結構靜力性能有限元分析

牟在根, 楊雨青, 馮雷, 王喆

2017, 39(11): 1753-1764. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.019

[摘要](1181)

[PDF 2944KB](22) [施引文獻] ()

摘要:
鋼框架內填預制鋼筋混凝土剪力墻結構是新型混合式結構,由鋼框架與內填墻組成雙重防線,具有良好的抗側力能力,同時預制構配件和預制裝配建筑有利于推動住宅產業化發展.考慮大尺寸內填預制RC墻運輸和安裝困難的情況,提出豎向和橫向組合式鋼框架內填RC墻結構,采用ABAQUS建立有限元模型進行結構受力分析.通過分析荷載位移曲線,構件應力分布和變形情況,研究結構破壞特點和受力性能.結果表明,全螺栓結構因其合理的傳力路徑,有良好的承載力和延性;豎向組合式具有較好的初始剛度和整體承載力,與全螺栓連接預制RC墻有近似的受力性能,便于運輸和安裝;而橫向組合式由于上下板缺乏有效傳力路徑,初始剛度和最終承載力都明顯低于全螺栓和豎向組合式,不利于實際工程應用.

雙鋼板混凝土組合剪力墻軸壓承載力研究

郝婷玥, 曹萬林

2017, 39(11): 1765-1773. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.11.020

[摘要](714)

[PDF 704KB](21) [施引文獻] ()

摘要:
首先對雙鋼板混凝土組合剪力墻中的鋼板進行了屈曲理論分析,對核心受約束混凝土進行了受力分析.以北京中國尊核心筒結構底部剪力墻為原型,進行了1/4縮尺模型的雙鋼板混凝土組合剪力墻試件和內置鋼板混凝土組合剪力墻的軸壓性能試驗,對比分析其荷載-位移曲線、軸壓承載力等.考慮到鋼板屈曲對鋼板軸壓承載力的影響以及受約束混凝土軸心抗壓強度的提高,提出了雙鋼板混凝土組合剪力墻軸壓承載力的計算公式,與應用其他計算方法計算得到的試驗試件的軸壓承載力相比,本文提出的計算公式的計算結果與試驗結果吻合度最高.結合其他文獻中雙鋼板混凝土組合剪力墻軸壓性能試驗的相關數據進行驗證,表明利用本論文提出的計算公式得到的軸壓承載力計算值與試驗結果吻合較好.