本文關(guān)鍵詞：風雪災(zāi)害下樹木斷裂機制及風險評估與防護

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【摘要】：風、雪災(zāi)害不僅對森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成重大影響,同時也給林業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的經(jīng)濟損失。另一方面,一些城市的高大行道樹和景區(qū)古樹名木在經(jīng)歷了長期風雨洗禮之后都存在不同程度的安全隱患,它們在突然遭到暴風雨等惡劣氣候的情況下就有可能發(fā)生斷裂倒伏,并對行人、游客的生命安全造成危害。全球氣候變化模型的預(yù)測表明,各種類型風/雪災(zāi)害的發(fā)生頻率和強度正呈現(xiàn)增加的趨勢,顯然,研究風雪載荷下樹木斷裂行為,不僅對于城市行道樹和景區(qū)古樹名木的斷裂風險性評估和安全防護具有重要的意義,還會對森林生態(tài)及森林資源保護科學的基礎(chǔ)研究起到推動性作用。本文采用理論推導(dǎo)和實驗、實踐相結(jié)合的方法,以黃山松和香樟等樹種為研究對象,對風雪載荷下的樹木力學特征和斷裂行為進行了分析研究,主要工作如下:1、首先介紹風雪的特征,包括風的組成:風速和風向,冰雪載荷種類:干雪、濕雪和凍雨;分別介紹不同風雪特征下的樹木響應(yīng)特征與破壞情況,為后文的樹木斷裂破壞分析、安全性評估以及防護措施鋪墊。2、測試樹木生材的力學性質(zhì)。包括測試生材的破壞強度值,確定用于樹木強度準則的材料臨界強度應(yīng)力值,以及通過數(shù)字散斑法測試樹木生材的彈性系數(shù),該方法能夠避免采用電測法測試樹木生材的彈性系數(shù)所帶來的問題,如生材含水率高不易涂膠貼片,應(yīng)變片樹脂基的模量高于樹材的模量以及樹材變形量傳遞到金屬柵會有較大失真等。以上述測試的樹木生材力學性質(zhì)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),利用ABAQUS有限元建立Γ型空心圓樹干在自由端受F作用力,樹干基部為固定端約束的樹干受力模型,分析樹木指定高度截面處樹干外層的最大彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力變化情況,判斷分析樹干破壞的行為與方式。結(jié)果表明:樹木因空洞造成的樹干內(nèi)外徑比為0.7是樹木可能發(fā)生斷裂的臨界值,即,當樹干的空洞發(fā)展到樹干內(nèi)外徑比為0.7時,隨著樹干空洞的繼續(xù)增大,樹木發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)破壞系數(shù)會急劇增加;樹木達到一定的偏冠程度后,會因樹干空洞的增加,樹木先發(fā)生扭轉(zhuǎn)劈裂破壞后,造成樹干整體剛度的降低再引發(fā)樹干折斷。3、給出了一種分析樹木強度的新方法和理論,并首次提出一種“樹木力學量的全量測試方法”,該方法不僅可以同時測量樹木最大的彎曲應(yīng)變和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)變,而且最大應(yīng)變的測值僅取決于傳感器的測值而與風向無關(guān)。本文,首先通過已知拉力模擬風載荷作用在樹上,使樹干產(chǎn)生彎曲與扭轉(zhuǎn)組合變形,利用上述理論和方法測得樹干的最大彎曲應(yīng)變和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)變后,再應(yīng)用胡克定律將應(yīng)變轉(zhuǎn)換至應(yīng)力去與理論計算結(jié)果相比較,以此證明其有效性。然后,實地測量了大風作用下的樹干最大彎曲變形應(yīng)變(應(yīng)力)和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)變(應(yīng)力),同時,利用風速儀獲取了樹冠層近似重心高度處的風速和風向。研究結(jié)果表明:對于忽大忽小的多波峰陣風,由于樹木復(fù)雜的搖擺行為,樹干應(yīng)變應(yīng)力響應(yīng)較為復(fù)雜,較難建立一致的應(yīng)力與風速平方間的關(guān)系;但對于風向穩(wěn)定且風速持續(xù)增加的單峰風,發(fā)現(xiàn)不同時段上的樹干應(yīng)力與風速平方存在較一致的線性關(guān)系,據(jù)此可以評估出樹木能夠承受的最大風速,即臨界風速,為樹木在大風環(huán)境下是否需要做斷裂安全防護提供依據(jù)。4、歸納總結(jié)樹木的強度缺陷,分為樹洞、腐朽、枯木、裂紋以及結(jié)構(gòu)缺陷五大類。以應(yīng)力波斷層掃描儀和針刺阻力儀對隱藏式腐朽空洞樹木進行檢測。5、從樹木力學角度出發(fā),結(jié)合樹木結(jié)構(gòu)形態(tài)和外部環(huán)境因子等,針對常見的具有安全隱患的樹木提出安全性的彈性支撐拉纖的防護方法,同時,列舉已經(jīng)實施的一些古樹名木的支撐拉纖方案,當中介紹已經(jīng)在實際應(yīng)用中取得了良好效果的自主研發(fā)的樹木防風雪災(zāi)害的彈性支撐桿。
【學位授予單位】：安徽農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：S761;S718.4

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