本發(fā)明是屬于森林風(fēng)災(zāi)害監(jiān)測(cè)/預(yù)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，通過(guò)測(cè)定風(fēng)壓對(duì)樹木形成的風(fēng)載荷大小以及作用點(diǎn)位置，可以對(duì)樹木在不同風(fēng)速下的安全性作精確評(píng)估。

背景技術(shù)：

由于風(fēng)壓施加在樹木上所形成的風(fēng)力或風(fēng)彎矩會(huì)受到樹冠形狀和大小、樹葉特征、林帶高度和寬度、透風(fēng)系數(shù)、地形地貌以及風(fēng)向、風(fēng)速等等諸多因素影響，因此如何量化風(fēng)壓作用在林區(qū)樹木上所形成的風(fēng)力或風(fēng)彎矩，是迄今尚未得到很好解決的難題，并因此影響了樹木在大風(fēng)下斷裂、倒伏風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。雖然國(guó)外現(xiàn)有的樹木風(fēng)載荷測(cè)定方法中對(duì)諸多影響因素做了簡(jiǎn)化，但在風(fēng)彎矩與風(fēng)速關(guān)系式中仍然含有較多的不易確定的參數(shù)。由于參數(shù)獲取不便或粗略，不僅影響了樹木安全性評(píng)估的有效性和便利性，甚至難以實(shí)施。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于力學(xué)測(cè)量的測(cè)量樹木風(fēng)載荷的方法，測(cè)量樹干在風(fēng)壓作用下產(chǎn)生的彎矩、扭矩、風(fēng)力及其風(fēng)力的作用點(diǎn)位置。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

某一棵樹的風(fēng)載荷的獲取是通過(guò)如下步驟來(lái)獲取的：

步驟一：在一次中等大小的大風(fēng)中(譬如5～6級(jí))，建立樹干最大應(yīng)變與風(fēng)速關(guān)系式：εmax＝f(v²)

步驟二：在隨后的無(wú)風(fēng)日，采用拉力試驗(yàn)建立力矩與最大應(yīng)變關(guān)系：m＝g(εmax)

步驟三：將由上述兩種實(shí)驗(yàn)所得到關(guān)系式消去應(yīng)變參量，即可得到該樹木的風(fēng)致彎矩特性方程，即m＝g(f(v²))。

與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

該方法簡(jiǎn)化和精確了樹木受到的風(fēng)載荷，克服了國(guó)外對(duì)風(fēng)載荷作粗略估算的不足，是精確研究風(fēng)致樹木斷裂、樹木倒伏的前提。除此之外，該方法還可以確定出作用在樹冠上的作用點(diǎn)高度。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明中的大風(fēng)實(shí)驗(yàn)的示意圖

圖2為本發(fā)明中大風(fēng)實(shí)驗(yàn)中的傳感器安裝方式

圖3為本發(fā)明中的拉力實(shí)驗(yàn)的示意圖

圖4為本發(fā)明中的測(cè)量風(fēng)壓作用下產(chǎn)生的彎矩、扭矩、風(fēng)力及其風(fēng)力的作用點(diǎn)位置的實(shí)驗(yàn)示意圖

圖5為本發(fā)明中的測(cè)量風(fēng)壓作用下產(chǎn)生的彎矩、扭矩、風(fēng)力及其風(fēng)力的作用點(diǎn)位置的實(shí)驗(yàn)中傳感器安裝方式

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

所述大風(fēng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程下：在大風(fēng)來(lái)臨前，在所測(cè)樹木的樹干上安裝2個(gè)位移傳感器，2個(gè)位移傳感器沿軸向安裝在樹干的正交直徑,并在樹旁再安裝一個(gè)風(fēng)速傳感器，高度約與樹冠重心高相同(圖1)。起風(fēng)后，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集儀記錄各傳感器的信息數(shù)據(jù)。然后將采集的數(shù)據(jù)應(yīng)用分析軟件進(jìn)行分析處理，即可得到樹干最大應(yīng)變與風(fēng)速關(guān)系式εmax＝f(v²)，其中，

所述的拉力實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：在隨后的無(wú)風(fēng)日，對(duì)同一棵樹進(jìn)行拉力試驗(yàn)，即在樹上系一接有力傳感器的繩索并施加水平拉力(水平拉力的方向與盛行風(fēng)向大致相同)，使樹木主干產(chǎn)生彎曲變形。在所測(cè)樹木上沿拉力方向在樹干背面安裝一個(gè)變形傳感器(圖3)。當(dāng)樹干被可知拉力作用時(shí)，樹木發(fā)生彎曲變形，通過(guò)安裝在樹干上的位移傳感器即可測(cè)得最大彎曲應(yīng)變，并建立彎矩與最大應(yīng)變的關(guān)系式m＝g(εmax)。

最后聯(lián)立力矩與最大應(yīng)變關(guān)系式和最大應(yīng)變與風(fēng)速關(guān)系式，就可以得到風(fēng)致力矩方程：m＝g(f(v²))。

所述確定風(fēng)力的大小和作用點(diǎn)位置，可以在大風(fēng)來(lái)臨前，在所測(cè)樹木的樹干選擇上、下二個(gè)橫截面，每個(gè)截面各安裝2個(gè)測(cè)量軸向變形的位移傳感器，2個(gè)傳感器均沿橫截面的一對(duì)正交直徑軸向安裝，并在樹旁再安裝一個(gè)風(fēng)速傳感器(圖4)。起風(fēng)后，應(yīng)用數(shù)據(jù)采集儀記錄各傳感器的信息數(shù)據(jù)。然后將采集的數(shù)據(jù)應(yīng)用分析軟件進(jìn)行處理，并應(yīng)用由拉力實(shí)驗(yàn)得到的彎矩與最大應(yīng)變的關(guān)系式，即可分別得到樹干上對(duì)應(yīng)不同高度的彎矩m1和m2，通過(guò)分析即可得到風(fēng)壓在樹冠上的所形成的風(fēng)力風(fēng)力的作用點(diǎn)高度

建立彎矩與最大應(yīng)變關(guān)系式的部分算法：

由軸向傳感器測(cè)得軸向應(yīng)變?chǔ)泞佟ⅵ泞?，根?jù)mi＝εieπd³(1-α⁴)/32的關(guān)系推力矩my、mx，再由即可得到在拉力為f時(shí)樹干外周處的最大軸向應(yīng)變計(jì)算式：即可以得到當(dāng)拉力為f時(shí)的樹干外周處的最大軸向應(yīng)變，從而建立起力矩與最大應(yīng)變關(guān)系式。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種樹木風(fēng)載荷的測(cè)定方法。該測(cè)定方法，包括測(cè)定樹干在風(fēng)壓作用下產(chǎn)生的彎矩、扭矩、風(fēng)力及其風(fēng)力的作用點(diǎn)位置。風(fēng)載荷的獲取是通過(guò)在樹干不同位置及方位角安裝變形傳感器，測(cè)量出樹干在大風(fēng)作用下產(chǎn)生的最大線應(yīng)變、最大剪應(yīng)變與風(fēng)速之間的關(guān)系：εmax＝f(v2)；然后在無(wú)風(fēng)條件下，再對(duì)該樹木進(jìn)行人工拉力實(shí)驗(yàn)，建立彎矩與最大線應(yīng)變和剪應(yīng)變的關(guān)系：M＝g(εmax)；最后根據(jù)上面的兩個(gè)公式就可以建立起彎矩與風(fēng)速之間的關(guān)系式M＝g(εmax)，稱之為風(fēng)致彎矩特性方程。對(duì)于選定的樹木，樹木的風(fēng)致彎矩特性方程具有特定性和有條件唯一性。在此基礎(chǔ)上，還可以繼續(xù)確定出作用在樹冠上的風(fēng)載荷大小和作用點(diǎn)位置。該方法解決了樹木風(fēng)載荷不易確定的難題，可用于監(jiān)測(cè)/預(yù)測(cè)林區(qū)樹木和城市行道樹以及園林古樹名木的抗風(fēng)害能力。

技術(shù)研發(fā)人員：邵卓平
受保護(hù)的技術(shù)使用者：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.04.21
技術(shù)公布日：2017.08.25