风雪灾害下树木断裂机制及风险评估与防护

摘要

风、雪灾害不仅对森林生态系统的稳定性造成重大影响，同时也给林业生产带来巨大的经济损失。另一方面，一些城市的高大行道树和景区古树名木在经历了长期风雨洗礼之后都存在不同程度的安全隐患，它们在突然遭到暴风雨等恶劣气候的情况下就有可能发生断裂倒伏，并对行人、游客的生命安全造成危害。全球气候变化模型的预测表明，各种类型风/雪灾害的发生频率和强度正呈现增加的趋势，显然，研究风雪载荷下树木断裂行为，不仅对于城市行道树和景区古树名木的断裂风险性评估和安全防护具有重要的意义，还会对森林生态及森林资源保护科学的基础研究起到推动性作用。本文采用理论推导和实验、实践相结合的方法，以黄山松和香樟等树种为研究对象，对风雪载荷下的树木力学特征和断裂行为进行了分析研究，主要工作如下：
　　1、首先介绍风雪的特征，包括风的组成：风速和风向，冰雪载荷种类：干雪、湿雪和冻雨；分别介绍不同风雪特征下的树木响应特征与破坏情况，为后文的树木断裂破坏分析、安全性评估以及防护措施铺垫。
　　2、测试树木生材的力学性质。包括测试生材的破坏强度值，确定用于树木强度准则的材料临界强度应力值，以及通过数字散斑法测试树木生材的弹性系数，该方法能够避免采用电测法测试树木生材的弹性系数所带来的问题，如生材含水率高不易涂胶贴片，应变片树脂基的模量高于树材的模量以及树材变形量传递到金属栅会有较大失真等。
　　以上述测试的树木生材力学性质数据为基础，利用ABAQUS有限元建立Γ型空心圆树干在自由端受F作用力，树干基部为固定端约束的树干受力模型，分析树木指定高度截面处树干外层的最大弯曲应力和扭转剪应力变化情况，判断分析树干破坏的行为与方式。结果表明：树木因空洞造成的树干内外径比为0.7是树木可能发生断裂的临界值，即，当树干的空洞发展到树干内外径比为0.7时，随着树干空洞的继续增大，树木发生弯曲和扭转破坏系数会急剧增加；树木达到一定的偏冠程度后，会因树干空洞的增加，树木先发生扭转劈裂破坏后，造成树干整体刚度的降低再引发树干折断。
　　3、给出了一种分析树木强度的新方法和理论，并首次提出一种“树木力学量的全量测试方法”，该方法不仅可以同时测量树木最大的弯曲应变和扭转剪应变，而且最大应变的测值仅取决于传感器的测值而与风向无关。
　　本文，首先通过已知拉力模拟风载荷作用在树上，使树干产生弯曲与扭转组合变形，利用上述理论和方法测得树干的最大弯曲应变和扭转剪应变后，再应用胡克定律将应变转换至应力去与理论计算结果相比较，以此证明其有效性。然后，实地测量了大风作用下的树干最大弯曲变形应变（应力）和扭转剪应变（应力），同时，利用风速仪获取了树冠层近似重心高度处的风速和风向。研究结果表明：对于忽大忽小的多波峰阵风，由于树木复杂的摇摆行为，树干应变应力响应较为复杂，较难建立一致的应力与风速平方间的关系；但对于风向稳定且风速持续增加的单峰风，发现不同时段上的树干应力与风速平方存在较一致的线性关系，据此可以评估出树木能够承受的最大风速，即临界风速，为树木在大风环境下是否需要做断裂安全防护提供依据。
　　4、归纳总结树木的强度缺陷，分为树洞、腐朽、枯木、裂纹以及结构缺陷五大类。以应力波断层扫描仪和针刺阻力仪对隐藏式腐朽空洞树木进行检测。
　　5、从树木力学角度出发，结合树木结构形态和外部环境因子等，针对常见的具有安全隐患的树木提出安全性的弹性支撑拉纤的防护方法，同时，列举已经实施的一些古树名木的支撑拉纤方案，当中介绍已经在实际应用中取得了良好效果的自主研发的树木防风雪灾害的弹性支撑杆。

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目录

第1章 绪论

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 现有研究的不足

1.4 论文的研究内容

第2章 树木风雪灾害类型与特征

2.1 引言

2.2 风灾害

2.3 冰雪灾害

2.4 本章小结

第3章 树木材性与树木断裂破坏的有限元分析

3.1 引言

3.2 活立木生材的强度测试

3.3 活立木生材弹性系数的测定

3.4 活立木树干强度的有限元分析

3.5 本章小结

第4章 树木的强度分析理论与断裂风险评估

4.1 引言

4.2 模拟风载荷下的树木强度分析

4.3 野外风载荷下的树木强度分析与树木抗风能力评估

4.4 本章小结

第5章 树木强度缺陷与检测

5.1引言

5.2树木的强度缺陷

5.3 树木强度缺陷检测

5.4本章小结

第6章 树木的安全性防护

6.1 引言

6.2 树木的支撑拉纤防护体系

6.3 实施的应用案例

6.4本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

附录

致谢

作者简介

在读期间发表的论文及科研成果