专利名称：树木力学量的全量测试方法
技术领域：
本发明涉及树木抗风雪灾害能力评估及防护技术领域，具体属于树木力学量的全量测试方法。
背景技术：
如何实现在风力雪载作用下测试完整的树木力学信息是研究树木抗风雪灾害能力的关键技术。但迄今为止，各国尚无在树木力学量测试技术上的研究技术报道和文献，只有一些改进是在传感器性能上，而在测试方法上只限于测量树木在弯曲时的轴向变形、并应用单向虎克定律作简单的弯曲强度分析，这样测试方法和技术分析测得数据有限，不能准确的对树木在恶劣环境下抵御能力的预测。本
发明内容
本发明的目的是提出树木力学量的全量测试方法，克服了现有技术的不足，测试方法简单，可以获得全部树木力学信息量与相应的算法分析。本发明采用的技术方案如下树木力学量的全量测试方法，所述的该测试方法，包括树干在大风模式、大雪模式和风雪及冰挂交加环境三种环境测试，通过在树干不同位置及方位角安装4-6个变形传感器，测量出树干因不同气候条件下所产生的拉伸、压缩和剪切变形量，并通过相关算法转换为应力，从而获得全部树木力学信息量用于树木抗断裂强度的分析与评估。所述大风模式，在树干正交直径上安装两个轴向传感器和两个与轴向成+45°、45°的传感器，当有大风时对树干产生弯曲和扭转变形，通过安装在树干上的传感器可以测量出树干弯曲和扭转变形量，再通过应变应力状态分析及算法，即可实现对树木抗风灾能力的评估、判断树木能够承受的最大风速。所述在大雪模式，在树干正交直径上安装四个轴向传感器，当有大雪时对树干产生弯、压组合受力状态，通过安装在树干上的传感器可以测量出树干弯曲变形和压缩变形的分离与测量，再通过应变应力状态分析及算法，即可实现对树木抗雪载能力的风险性评估、判断树木能够承受的最大降雪量。所述在风雪及冰挂交加环境模式，在树干正交直径上安装四个轴向传感器和两个与轴向成+45°与-45°的传感器，当树枝因冻雨雪而结满冰挂，树木在风力、冰载共同作用下，树干处于弯、压、扭的复杂组合受力状态，通过安装在树干上的传感器可以测量出树干弯曲、压缩和扭转应变的分离与测量，再通过应变应力状态分析及算法，即可获得对树木安全指数的评估、以及破坏因素、方式与位置的判断。所述传感器在各种状态下测得数值可以直接输入计算机自动完成，计算机系统和数据库提供的树木破坏应力极限值相比较，判断在树干可能发生破坏的因素、方式和方位。所述的传感器安装在尼龙垫块上并通过穿入其中的上、下二根弹性钢丝环固定于树干上。与已有技术相比，本发明的有益效果如下
本发明通过在树干中不同位置角度安装位移传感器，针对不同风/雪灾害(如大风、大雪、风雪及冰挂交加等)模式，研究出一种可以获得全部树木力学信息量的“全量测试技术”与相应的算法分析，从而能够实现分析树木在不同风力雪灾模式作用下的全部应力响应，并通过在对树木的破坏行为和破坏因子识别的基础上，实现对树木抗风/雪灾害能力的科学评价和断裂预警。
图1为本发明在大风环境下传感器在树体上安装结构示意图；图2为本发明在大雪环境下传感器在树体上安装结构示意图；图3为本发明在风雪及冰挂环境下传感器在树体上安装结构示意图。
图4为本发明在大风环境大风模式下的树体受力分析图。
具体实施例方式参见附图，树木力学量的全量测试方法，所述的该测试方法，包括树干在大风模式、大雪模式和风雪及冰挂交加环境三种环境测试，当在大风模式，在树干正交直径上安装两个轴向传感器和两个与轴向成+45°、-45°的传感器，所述的传感器通过上、下弹性钢丝环固定于树干上，当有大风时对树干产生弯曲和扭转变形，通过安装在树干上的传感器可以测量出树干弯曲和扭转变形量，再通过应变应力状态分析及算法，即可实现对树木抗风灾能力的评估、判断树木能够承受的最大风速；当在大雪模式，在树干正交直径上安装四个轴向传感器，所述的传感器通过上、下弹性钢丝环固定于树干上，当有大雪时对树干产生弯、压组合受力状态，通过安装在树干上的传感器可以测量出树干弯曲变形和压缩变形的分离与测量，再通过应变应力状态分析及算法，即可实现对树木抗雪载能力的风险性评估、判断树木能够承受的最大降雪量；当在风雪及冰挂交加环境模式，在树干正交直径上安装四个轴向传感器和两个与轴向成+45°与-45°的传感器，所述的传感器通过上、下弹性钢丝环固定于树干上，当树枝因冻雨雪而结满冰挂，树木在风力、冰载共同作用下，树干处于弯、压、扭的复杂组合受力状态，通过安装在树干上的传感器可以测量出树干弯曲、压缩和扭转应变的分离与测量，再通过应变应力状态分析及算法，即可获得对树木安全指数的评估、以及破坏因素、方式与位置的判断。大风模式下的部分算法根据右图风向与弯矩标示进行受力分析①与风向关联的轴向线应变分析由轴向传感器测得轴向应变ε①、ε②，根据Mi= ε丨π D3 (1_ α 4)/32的关系推算弯矩My、Mx，再由Mfin2 =Vma2+Μ_$ ,即可得到树干外周上沿风向0处的轴向应变ε L 0=Me_"2/(3iD3(l-a4)/32E)。②风力下的二维应变与应力状态分析树木破坏始于树干外周，该处可视为平面应力状态问题来分析。应用弹性体小变形的几何条件，依据平面内任意方向β上的应变ε 0与轴向应变ε P弦向应变ετ和弦切面上剪应变的关系ε g= ε Tcos2 β + ε L sin2 β + Y LT sin β cos β
(β=-45。，+45。,90° )将应变测量值ε +45。、ε _45。分别代入上式，即可解出ε τ、ε T、y TLO
再应用木材的应力-应变关系{σ } = [C] { ε }式中{ σ }、{ ε }分别为应力、应变张量，[C]为树材的刚度矩阵。由此，即可得到轴向正应力σ。弦向正应力01和顺纹向剪应力τΤ ，供仪器系统和数据库提供的树木破坏应力极限值相比较，判断在树干可能发生破坏的因子、方式和方位。
权利要求
1.树木力学量的全量测试方法，其特征在于所述的该测试方法，包括树干在大风模式、大雪模式和风雪及冰挂交加环境三种环境测试，通过在树干不同位置及方位角安装4一6个变形传感器，测量出树干因不同气候条件下所产生的拉伸、压缩和剪切变形量，并通过相关算法转换为应力，从而获得全部树木力学信息量用于树木抗断裂强度的分析与评估。
2.根据权利要求1所述树木力学量的全量测试方法，其特征在于所述大风模式，在树干正交直径上安装两个轴向传感器和两个与轴向成+45°、-45°的传感器，当有大风时对树干产生弯曲和扭转变形，通过安装在树干上的传感器可以测量出树干弯曲和扭转变形量，再通过应变应力状态分析及算法，即可实现对树木抗风灾能力的评估、判断树木能够承受的最大风速。
3.根据权利要求1所述树木力学量的全量测试方法，其特征在于所述在大雪模式，在树干正交直径上安装四个轴向传感器，当有大雪时对树干产生弯、压组合受力状态，通过安装在树干上的传感器可以测量出树干弯曲变形和压缩变形的分离与测量，再通过应变应力状态分析及算法，即可实现对树木抗雪载能力的风险性评估、判断树木能够承受的最大降/=T^-曰-Wmo
4.根据权利要求1所述树木力学量的全量测试方法，其特征在于所述在风雪及冰挂交加环境模式，在树干正交直径上安装四个轴向传感器和两个与轴向成+45°与-45°的传感器，当树枝因冻雨雪而结满冰挂，树木在风力、冰载共同作用下，树干处于弯、压、扭的复杂组合受力状态，通过安装在树干上的传感器可以测量出树干弯曲、压缩和扭转应变的分离与测量，再通过应变应力状态分析及算法，即可获得对树木安全指数的评估、以及破坏因素、方式与位置的判断。
5.根据权利要求1、2、3或4所述树木力学量的全量测试方法，其特征在于所述传感器在各种状态下测得数值可以通过树木力学分析仪的采集终端自动完成并对树木的安全性作出判断。
6.根据权利要求1、2、3或4所述树木力学量的全量测试方法，其特征在于所述的传感器安装在尼龙垫块上并通过穿入其中的上、下二根弹性钢丝环固定于树干上。
全文摘要
本发明公开了树木力学量的全量测试方法，该测试方法，包括树干在大风模式、大雪模式和风雪及冰挂交加模式三种环境下，通过在树干不同位置及方位角安装变形传感器，可以测量出树干因不同气候条件下所产生的拉伸、压缩和剪切变形量，并通过相关算法转换为应力。本发明克服了现有测量技术的不足，测试方法简单，可以获得全部树木力学信息量，用于园林古树名木、行道树和林区树木抗风/雪灾害能力分析与断裂风险性评估。
文档编号G01N3/00GK103018092SQ20121049306
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月28日 优先权日2012年11月28日
发明者邵卓平, 陈品, 吴贻军 申请人:安徽农业大学