[发明专利]树木风载荷测定方法

说明书

技术领域

本发明是属于森林风灾害监测/预测技术领域，通过测定风压对树木形成的风载荷大小以及作用点位置，可以对树木在不同风速下的安全性作精确评估。

背景技术

由于风压施加在树木上所形成的风力或风弯矩会受到树冠形状和大小、树叶特征、林带高度和宽度、透风系数、地形地貌以及风向、风速等等诸多因素影响，因此如何量化风压作用在林区树木上所形成的风力或风弯矩，是迄今尚未得到很好解决的难题，并因此影响了树木在大风下断裂、倒伏风险性评价的准确性。虽然国外现有的树木风载荷测定方法中对诸多影响因素做了简化，但在风弯矩与风速关系式中仍然含有较多的不易确定的参数。由于参数获取不便或粗略，不仅影响了树木安全性评估的有效性和便利性，甚至难以实施。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于力学测量的测量树木风载荷的方法，测量树干在风压作用下产生的弯矩、扭矩、风力及其风力的作用点位置。

本发明采用的技术方案如下：

某一棵树的风载荷的获取是通过如下步骤来获取的：

步骤一：在一次中等大小的大风中(譬如5～6级)，建立树干最大应变与风速关系式：ε_max＝f(v²)

步骤二：在随后的无风日，采用拉力试验建立力矩与最大应变关系：M＝g(ε_max)

步骤三：将由上述两种实验所得到关系式消去应变参量，即可得到该树木的风致弯矩特性方程，即M＝g(f(v²))。

与已有技术相比，本发明的有益效果如下：

该方法简化和精确了树木受到的风载荷，克服了国外对风载荷作粗略估算的不足，是精确研究风致树木断裂、树木倒伏的前提。除此之外，该方法还可以确定出作用在树冠上的作用点高度。

附图说明

图1为本发明中的大风实验的示意图

图2为本发明中大风实验中的传感器安装方式

图3为本发明中的拉力实验的示意图

图4为本发明中的测量风压作用下产生的弯矩、扭矩、风力及其风力的作用点位置的实验示意图

图5为本发明中的测量风压作用下产生的弯矩、扭矩、风力及其风力的作用点位置的实验中传感器安装方式

具体实施方式

下面将结合附图来说明本发明的具体实施方式。

所述大风实验的实验过程下：在大风来临前，在所测树木的树干上安装2个位移传感器，2个位移传感器沿轴向安装在树干的正交直径,并在树旁再安装一个风速传感器，高度约与树冠重心高相同(图1)。起风后，应用数据采集仪记录各传感器的信息数据。然后将采集的数据应用分析软件进行分析处理，即可得到树干最大应变与风速关系式ε_max＝f(v²)，其中，

所述的拉力实验过程如下：在随后的无风日，对同一棵树进行拉力试验，即在树上系一接有力传感器的绳索并施加水平拉力(水平拉力的方向与盛行风向大致相同)，使树木主干产生弯曲变形。在所测树木上沿拉力方向在树干背面安装一个变形传感器(图3)。当树干被可知拉力作用时，树木发生弯曲变形，通过安装在树干上的位移传感器即可测得最大弯曲应变，并建立弯矩与最大应变的关系式M＝g(ε_max)。

最后联立力矩与最大应变关系式和最大应变与风速关系式，就可以得到风致力矩方程：M＝g(f(v²))。

所述确定风力的大小和作用点位置，可以在大风来临前，在所测树木的树干选择上、下二个横截面，每个截面各安装2个测量轴向变形的位移传感器，2个传感器均沿横截面的一对正交直径轴向安装，并在树旁再安装一个风速传感器(图4)。起风后，应用数据采集仪记录各传感器的信息数据。然后将采集的数据应用分析软件进行处理，并应用由拉力实验得到的弯矩与最大应变的关系式，即可分别得到树干上对应不同高度的弯矩M1和M2，通过分析即可得到风压在树冠上的所形成的风力风力的作用点高度

建立弯矩与最大应变关系式的部分算法：

由轴向传感器测得轴向应变ε_①、ε_②，根据M_i＝ε_iEπD³(1-α⁴)/32的关系推力矩 M_y、M_x，再由即可得到在拉力为F时树干外周处的最大轴向应变计算式：即可以得到当拉力为F 时的树干外周处的最大轴向应变，从而建立起力矩与最大应变关系式。