CN114232688A - 一种海上浮体平台下悬挂的海中交通轨道 - Google Patents

Abstract

一种海上浮体平台下悬挂的海中交通轨道”，海上的浮体平台和海中悬浮的交通轨道上下悬挂，按照浮力与重力平衡原则、水平垂直对称原则、重心在下的倒等腰三角形稳定性的力学结构原则的三个力学结构关系原则，形成一个系统性力学关系稳定一体的海中建筑结构，是一种海中大桥，可以跨海越洋，延伸不限。可以通过一个浮力与重力平衡调节的系统来维持海上浮体平台与海中悬浮交通轨道的系统性上下平衡稳定的结构。在海中交通轨道上运行的最好是磁悬浮列车。把浮力与重力的平衡调节控制在一定的正负值范围之内，海中交通轨道也可以铺设为高速公路。

Description

一种海上浮体平台下悬挂的海中交通轨道

技术领域

本发明涉及轮轨交通轨道技术：“一种海上浮体平台下悬挂的海中交通轨道”。现在供轮轨工具奔驰的交通轨道，不是建设在陆地面上，就是在跨江越海的桥面上，或者是建设在穿山的、海底的隧道之中。总的来说是铺设在坚实的基础上的交通轨道。本发明是一种悬浮在深海水中的交通轨道。

背景技术

地面轮轨交通轨道，铁路、公路。铁道自发明以来，已经运营了两个世纪，经历了普通铁路、电气化铁路到了今天的高速轮轨铁路技术阶段。万变不离其宗，铁道铺设在坚实的陆地上，受到地形的限制，山太高就挖隧道穿山而过，河海太宽就架桥跨海或掘海底隧道钻地过海，还要迁就地形绕弯、直行、爬坡、下坡。无论铁路公路，到目前为止，受海洋的阻隔，还没有不修桥建海底隧道却能过海的轮轨交通轨道，更不用说奔赴千万里、运送千万人的越洋轮轨交通轨道了。

磁悬浮列车。磁悬浮技术发明也有近一个世纪了。理论上，可以根据磁场的斥力与物体的重力之间的平衡关系，建造磁悬浮列车轨道交通。但是，由于种种的技术问题和商业开发问题，磁悬浮列车轨道技术一直没有得到实际的应用，仅止于实验的成功。磁悬浮列车与轨道技术结合，需要平直远途的轨道，它最大的障碍是在陆地上的地形限制。如果能在海中建造磁悬浮轨道交通，它不再受陆地的地形限制，可以两点之间直线最短的路线建设海中轨道，磁悬浮列车技术的优点就能充分地发挥出来，成为一种商业可行的、快速便捷的交通工具。

空气流体、水流体的密度和浮力与空气中或水中建筑物的关系。一般意义的水的密度为1，空气的密度为0.00129。水的密度约为空气密度的775倍。浮力是物质在引力作用下，自由落体的重力遇到空气阻力的反作用力。如果自由落体在空气中遇到的阻力或浮力是0.00129的话，在水中遇到的阻力或浮力是1。水的浮力是空气浮力的775倍。稀薄的空气在热力、地球的自转力和月球的引力作用下运动成为风，在陆地上空，风受地形阻碍，运动速度减弱，方向紊乱。越往高处，摆脱了地形的阻力，风速越高，能使高层建筑产生风中摇摆共振，是危险的，越高越危险。在没有地形阻力的海面上，高速的空气流体能掀动密度数百倍的水流体，滔天巨浪能够打翻轮船一类的海上建筑。风以速度力致胜，最终在775倍的阻力之下，止于浅层海水兴风作浪，越往深海处，建筑物就越稳定安全。深海水主要是向地心的静止重力运动，在地球自转力作用下的深海水运动是缓慢的，状态是稳定的，其浮力是稳定的，所以，深海里的建筑物远比高空中的建筑物稳定安全的多。建筑物被拥抱在海水的浮力之中，海水浮力的承托，海中的建筑物获得了稳妥的安全，只要能够抵抗深海压力的话，越深就越安全。

大跨度斜拉索桥梁。是从桥墩上架桥到高塔斜拉索悬挂桥的进步，但是仍然需要陆地承重支撑，仍然是“大地建桥“的传统认识。到目前为止，桥梁工程是材料科学和重力力学结构的科学。到目前为止，浮力，作为建筑工程的有利因素，没有被计算在内。空气的浮力，或者是横切的风，只是对大跨度斜拉索桥梁的危险损害因素。到目前为止，大地建桥还没有突破，最长的港珠澳跨海大桥也只能是立足于大地海床之上。

“一种水母冰山式的海中建筑结构”，专利申请号：202111617867.8，这是一种根据阿基米德原理和牛顿重力反作用力原理建造的海中建筑，可以作为海上风力发电机电站的集成总装平台。“一种水面下海中建筑的浮体平台沉放建筑方法”，专利申请号：202210003161.0，是反传统建筑方法而行之，用自上而下的方法建造海中建筑物。以上两项专利的申请人谢沛鸿，也是这次本项专利申请的发明人。根据以上两项专利发明申请，海中建筑物必须符合三个力学结构关系原则：浮力与重力平衡原则；水平垂直对称原则；重心在下的倒等腰三角形稳定性的力学结构原则。本项专利申请的发明根据基于上述两项发明专利申请的设计和建造方法。

发明内容

“一种海上浮体平台下悬挂的海中交通轨道”，海上的浮体平台和海中悬浮的交通轨道上下悬挂，按照浮力与重力平衡原则、水平垂直对称原则、重心在下的倒等腰三角形稳定性的力学结构原则的三个力学结构关系原则，形成一个系统性力学关系稳定一体的海中建筑结构，是一种海中大桥，可以跨海越洋，延伸不限。以磁悬浮列车技术而论，列车在行驶时能够与轨道保持非接触状态，列车本身的重力和载重不直接对轨道产生重压。列车在停站或临时停驶的时候，可以通过一个浮力与重力平衡调节的系统来维持海上浮体平台与海中悬浮交通轨道系统性的上下平衡稳定结构。在海中交通轨道上运行的最好是磁悬浮列车。把浮力与重力的平衡调节控制在一定的正负值范围之内，海中交通轨道也可以铺设为高速公路。

“一种海上浮体平台下悬挂的海中交通轨道”的系统性由海上浮体平台和悬挂之下的海中交通轨道构成。

海上浮体平台是一个十字形的平面坐标系的浮体结构。Y轴类似于两山峰之间的钢丝绳，X轴如同走钢丝运动员手持的保持稳定的横杆。这样的海上浮体平台能够有效地维持在海面的水平稳定，无论风浪从哪个方向打来，都能被十字浮体击碎。假设X/Y轴各长150m，宽度和高度都是20m，就能够有约110,000m³的体积，即排水量110,000吨的浮力，是为海上浮体平台的静态浮力。X/Y轴的四个端点各设一个分隔分区的、 20m＊20m＊10m的、可自动控制的、由压缩空气充气扩张和抽气收缩的气囊浮体，能够提供16,000吨可调节的动态浮力。

平台下悬挂的海中交通轨道是长圆筒形的结构。假设圆筒直径15m，是钢筋混凝土材料厚度0.5m的圆筒，取水平直径为最宽的交通路面，水平路面以下是混凝土陆基和轨道，平均比重密度为4。假设每段交通轨道的长度为300m，那么，直径15m圆筒的排水量约为53,000吨。圆筒形的交通轨道内部是按重力不同分层的，以水平路面的7.5m半径为高度分界，最底下的混凝土路基层，往上至路面是铁轨层，如果是公路的话，半径以下是结实的路基层，交通轨道是重心所在，是像不倒翁的重心一样不动的。直径15m宽的水平路面以上的半径为空，是交通工具的行驶空间，磁悬浮列车的话，可以设双向轨道。高速公路的话，可以双向四车道。交通轨道的计算重力如下：由于圆筒的一半是路面以下的轨道和混凝土路基，如果混凝土与钢铁使用量的比例是7∶3，就是平均比重密度为4，那么， 53,000/2＊4＝106,000吨，是整段交通轨道的重心。路面以上为空，等于53,000/2＝26,500 吨，可以提供的浮力。重力减去浮力，106,000-26,500＝79,500吨(约80,000吨)。直径 15m，长300m的一段交通轨道的海中重力约为80,000吨，是海中交通轨道的静态重力，是整个“一种海上浮体平台下悬挂的海中交通轨道”的系统性结构的重心。从海面浮体平台和海中的交通轨道横截面来看，浮力平均地分布在海面浮体的一横，重力集中地聚集在轨道底部重心一点。上面的浮力大于下边的重力，但海中的底部重力集中的一点与海面浮力平均的一横发生上下牵扯相互作用力。形成浮力与重力静态平衡的结构。如果是磁悬浮列车行驶的话，300m长的列车约为2,000吨重，停靠站台或临时停车的时候会增加约2,000 吨的动态重力。如果是公路交通，路面车辆通过的重力增加值也可以设定在2,000吨左右，可以通过释放海面的动态浮力来维持浮力和重力的平衡。总的来说，磁悬浮列车对力量平衡的要求高，但是，只是在停靠站和临时停车的时候才发生力量平衡的动态调节。对公路面交通来说，2,000吨以内的重力增加值是个小量，对路面行驶车辆的影响不大，不是大塞车走不动的时候，可以不做动态调节。

海面浮体平台的110,000吨静态浮力，减去海中交通轨道的80,000吨静态重力，还有 30,000吨的静态浮力。每5,500吨的静态重力能够将110,000静态浮力的海面浮体平台拉入水中1m，在80,000静态重力的拉动下，浮体平台的吃水线约在15m上下。所以，整个“一种海上浮体平台下悬挂的海中交通轨道”的系统性结构可以在浮体平台的吃水15m的水平线维持浮力与重力的静态平衡。不妨可以理解为，海面浮体平台像一艘船排水量 110,000吨，船体高20m，装载了80,000吨货物，停泊在锚地，吃水15m。但是，这 80,000吨不是装载船上，而是悬吊在船底，在深海水中。海中悬浮的交通轨道在多少深度的海水中呢？根据浮力与重力平衡原则、水平垂直对称原则、重心在下的倒等腰三角形稳定性的力学结构原则的三个力学结构关系原则，要形成一个系统性稳定一体的海中建筑结构。要尽量排除海面风浪力对整个系统性结构的影响，风力掀动海面，传导至50m-100m 的深度，就变成无力的紊流了。也要考虑到海中交通轨道的平衡稳定性和海中钢筋混凝体材料的抗压能力，海中交通轨道是整个系统结构的重心所在，重心的重力G与海面浮体平台的浮力F形成垂直相互作用力，这是维持整个结构稳定平衡的最关键力量，重心G与海面浮体平台的四个端点连成倒等腰三角形的等腰线，任何动荡的力量都通过等腰线在三角形的稳定性中传导，形成稳定三角形中的相互作用力，所以，悬浮的海中交通轨道是平衡稳定的。0.5m厚度的钢筋混凝土的抗压力很强，能够永久抵抗水深100m的压力。所以，海中交通轨道可以在海中50m-100m的深度。

海面浮体平台下悬挂的海中交通轨道依靠斜拉索大桥那样的钢索联系。每一段的海中交通轨道长300m，位于海面浮体平台下的50-100m海深。300m段圆筒的中点正对上方海面浮体平台的十字0点，垂直上下是主要连接悬挂钢索，十字0点上建有管理控制室，设有垂直上下电梯达圆筒中点上的入口，这里还是浮体平台与交通轨道上下的通气、通水和其他线路管道的通路，巡路维护和紧急逃生的通道。强力的钢圈箍住圆筒身，与海面浮体平台下来的钢索勾连。海面浮体平台的四端点下来的钢索也勾连住300m交通轨道中点的圆筒钢箍，形成从海面到深海重心的倒等腰三角形的力学结构关系。海中交通轨道从起点向终点延伸，由一段一段的300m长度交通轨道连接起来。所以，每一段的连接处，除了由法兰密封紧固之外，相连接的两段的连接口处，也由强力钢圈紧箍，从两个相邻浮体平台的两个的Y轴端点下来的钢索，分别勾连住连接处对方轨道段的钢箍，这样一来，不但是每一段的海中交通轨道与海面浮体平台由多个钢索全等三角形组合起来，成为整体系统的力学关系结构，整一条从起点到终点的交通轨道都由N个钢索全等三角形组合连接起来，形成了一个整体系统的力学关系结构，达到整体力量关系的平衡。

两个海面浮体平台的Y轴端点相距300m，海中交通轨道在水深50-100m，超过苏伊士运河的通航条件，适合任何海上船只通过。浮体平台Y轴端点设航标灯。

海面浮体平台上可以建设风力发电站，为“一种海上浮体平台下悬挂的海中交通轨道”的整个系统供电。“一种摩天轮链式风力发电机及其浮体平台海上发电站”，发明专利申请号：202210030633.1，申请人谢沛鸿，也是本项发明专利的申请人。当然，浮体平台上也可以安装其他类型的风力发电机，总之，海上风力发电是能够足足有余地向海中交通轨道整个系统供电的。

与陆路跨度斜拉索大桥会受到山谷风横向切变一样，海中交通轨道也可能要穿过洋流，承受着长久横冲的力量，造成轨道位置的移动，特别是会对两段轨道的接口处产生撕扯断裂的危险。因此，需要一个海中交通轨道水平位置维持及修正系统。首先，设卫星定位监测系统对轨道线路位置进行长期实时监测。要对两段轨道的接口处安装必要的阻尼装置。接口处的法兰是弹簧压紧的，在巨力冲击下起到手风琴拉页似的卸力作用。在每段交通轨道中间的下方投放链锚，防止大幅度的动荡漂移。如果海中交通轨道途经海底山、岛屿的话，就建设海底高架进行托举固定。最重要的是，在每段300m交通轨道中间部位的直径水平路面的外侧部设可变向的电机螺旋桨，提供足够的推力，根据卫星定位监测的实时指令信息，提供反向推力，进行位置修正。整个海中交通轨道系统有风力发电供电，电能是足够的。

海中交通轨道可以是一条跨海越洋的道路。各大洲之间的海中交通，即使是两点之间直线最短的距离，也有几千上万公里。即使时速超过飞机，也要几个小时。如同陆地上的交通一样，需要停靠站，需要到达海岛、岛礁或海中大型建筑居住区的中途站，沿途也要有陆地高速公路一样的休息区。磁悬浮列车停靠站的时候，可以停靠在与列车等长度的码头之上，由海面上的浮体平台调节浮力与重力的平衡，或者是停靠码头就是一个强力弹簧垫，承接2,000吨列车停站发生的重力，从下而上的水压，会把强力弹簧垫码头顶压着交通轨道圆筒的底部。原则是，任何的人员或车辆的重力增加，都要有相应浮力的增加调节平衡。列车停站之后，人员可以进入圆形附着的、与圆筒轨道相切的、作为休息区或车站的海中建筑物，此类建筑物应该是整体建筑体积的平均比重密度为1的、相当于水密度的建筑空间，不对附着的交通轨道产生重力负担。

附图说明：

附图1：一段海中交通轨道横截面正视图

0-1，浮体平台的0点管理控制办公室与一段海中交通轨道中间顶部开口连接，垂直钢索、通风通水管道与其他管道、上下电梯逃生通道；

2、3，一段300m的海中交通轨道；

4，一段海中交通轨道中间的强力钢圈箍；

5，一段海中交通轨道的基部结实重心；

6、7，一段海中交通轨道的横向推力电机螺旋桨；

8、9，一段海中交通轨道的锚链舱；

10、11，海底链锚；

12、13，一段海中交通轨道与相邻的交通轨道连接处的强力钢圈箍；

14、15，相邻的两段海中交通轨道；

16、17、18、19，中间一段海中交通轨道与相邻的两段轨道交叉相互勾连的斜拉钢索；

20、21，浮体平台与海中交通轨道中间钢圈箍的勾连斜拉索；

22、23，海面浮体平台；

24、25，与中间的海面浮体平台相邻的两个浮体平台；

26、27、28、29，浮体平台端点处的浮力调节气囊；

30、31，浮体平台上安装的风力发电机。

附图2：一段海中交通轨道纵向截面正视图

0-1，浮体平台的0点管理控制办公室与一段海中交通轨道中间顶部开口连接，垂直钢索、通风通水管道与其他管道、上下电梯逃生通道；

3，一段海中交通轨道路面上部供车辆行驶的空间；

4，一段海中交通轨道路面下基部结实重心；

5、6，海面浮体平台；

7、8，海面浮体平台端点的浮力调节气囊；

9、10，海面浮体平台与海中交通轨道中间钢圈箍的勾连斜拉索；

11、12，浮体平台上安装的风力发电机；

13、14，一段海中交通轨道侧面的横向推力电机螺旋桨；

15、16，锚链舱；

17、18，海底链锚。

附图3：海面浮体平台俯视图

1，十字坐标系形的海面浮体平台的0点；

2、3，虚线是海中交通轨道；

4、5、6、7，十字坐标系形的海面浮体平台；

8-12，风力发电机；

13、14、15、16，海面浮体平台端点的浮力调节气囊。

附图4：海面浮体平台与海中交通轨道的纵向截面正视图

0-1，浮体平台的0点管理控制办公室与一段海中交通轨道中间顶部开口连接，垂直钢索、通风通水管道与其他管道、上下电梯逃生通道；

2，海中交通轨道的纵向截面，上部是车辆行驶空间，下部是结实路基重心；

3，海中交通轨道的车站和休息区，整体空间密度为1，相当于水密度；

4，海中交通轨道的停靠码头弹簧垫；

5、6，海面浮体平台与海中交通轨道中间钢圈箍的勾连斜拉索；

7、8，海面浮体平台；

9、10，海面浮体平台端点的浮力调节气囊；

11，，海中交通轨道与车站休息区之间沟通的双向密封开关通道。

本发明具体实施方案：

应用本发明先在渤海、中国台湾、琼州海峡建设海中交通轨道，进而可以在南海岛礁之间建海中交通轨道。技术成熟后，可以跨海越洋发展，使海洋成为人类畅行的通路。可以推动快速运力大的磁悬浮列车实际商业运用。风力发电机可以在每个浮体平台上安装，为海中交通轨道提供足够有余的能源，是纯绿色的交通轨道。可以先在陆地上建造每段海中交通轨道，海运至预定海域继续海中工程。具体建造方法另有发明专利申请。

Claims (9)

1.“一种海上浮体平台下悬挂的海中交通轨道”。海上的浮体平台和海中悬浮的交通轨道上下悬挂，按照浮力与重力平衡原则、水平垂直结构对称原则、重心在下的倒等腰三角形稳定性的力学结构原则，形成一个系统性力学关系稳定一体的海中建筑结构。海中交通轨道上可行驶磁悬浮列车或铺设高速公路。其技术特征是：海上浮体平台是一个坐标系形的、X/Y轴同长，宽厚度一致的浮体结构；浮体平台下悬挂的海中交通轨道是钢筋混凝土的长圆筒形的结构；海面浮体平台的浮力与海中交通轨道的重力平衡；海面上的浮体平台与海中交通轨道由钢索垂直和斜拉连结；两个海面浮体平台之间的交通航道；海中交通轨道水平位置维持及修正系统；海中交通轨道有中途停车站和休息区；海上浮体平台和海中交通轨道设风力发电的电力供应系统。

2.根据权利要求1所述，海上浮体平台是一个坐标系形的、X/Y轴同长、宽厚度一致的浮体结构，其技术特征是：设X/Y轴长150m，宽20m，厚20m，是一个体积110,000m³的浮体，110,000吨的静态浮力。X/Y轴的四个端点各设一个分隔分区的、20m*20m*10m的、可自动控制的、由压缩空气充气扩张和抽气收缩的气囊浮体，提供可调节的动态浮力。在坐标系形的浮体平台的0点，设管理控制中心，内设上下电梯、通风管道、通水管道、其他管线管道。浮体平台上还设风力发电机和淡水制造厂。

3.根据权利要求1所述，浮体平台下悬挂的海中交通轨道是钢筋混凝土的长圆筒形的结构，其技术特征是：设海中交通轨道由一段一段从起点到终点的、长300m或相当于一列磁悬浮列车长度的、直径15m的圆筒形结构组成。是钢筋混凝土材料厚度0.5m的、或其他抗压材料造成的圆筒，交通轨道的圆筒内是分层建造的，如果是磁悬浮列车轨道的话，水平直径路面地下的半径7.5m分为混凝土路基层和钢铁轨道层。如果是高速公路的话，水平直径路面下都是混凝土路基层。这个路基层是结实材料建造，是整个建筑体系结构的底部重心所在。水平路面宽15m，上部为空，高速公路可设双向四车道，磁悬浮列车可设双向对开轨道可设中间隔离和两边的巡护行道。为了避免海面风浪动荡力量的影响，海中交通轨道设在海深50-100m处。轨道段的中间顶部开口正对海面的浮体平台0点，连接上下电梯、垂直上下悬挂钢索、通风通水管道和其他管线管道。

4.根据权利要求1所述，海面浮体平台的浮力与海中交通轨道的重力平衡维持调节系统，其技术特征是：从海面浮体平台和海中的交通轨道横截面来看，浮力平均地分布在海面浮体的一横，重力集中地聚集在轨道底部重心一点，上面的浮力大于下边的重力，但海中的底部重力集中的一点重心与海面浮力平均的一横发生上下牵扯相互作用力，是浮力与重力的静态平衡。首先，海面浮体平台的浮力与海中交通轨道的重力平衡维持调节系统有实时监测功能，在磁悬浮列车停车和高速公路塞车给轨道路面产生重力负荷大变化的时候，就自动释放压宿空气充气增加浮力，轨道上畅通行驶的时候，就抽气收缩调节气囊，恢复静态平衡。

5.根据权利要求1所述，海面上的浮体平台与海中交通轨道由钢索垂直和斜拉连结，其技术特征是：根据水平垂直对称原则、重心在下的倒等腰三角形稳定性的力学结构原则，要形成一个系统性稳定一体的海中建筑结构。强力的钢圈箍住轨道段圆筒身中点和两端点，重心设为G点与海面浮体平台0点由钢索垂直悬挂，同时，重心G点与海面浮体平台的四个端点下来的钢索斜拉连结，连成倒等腰三角形的等腰线，任何动荡的力量都通过等腰线在三角形的稳定性中传导，形成稳定三角形中的相互作用力。从两个相邻浮体平台的两个相邻的Y轴端点下来的钢索，分别勾连住连接处对方轨道段的钢箍，这样一来，不但是每一段的海中交通轨道与海面浮体平台由多个钢索全等三角形组合起来，成为整体系统的力学关系结构，整一条从起点到终点的交通轨道都由N个钢索全等三角形组合起来，形成了一个整体系统的力学关系结构，达到整体力量关系的平衡。

6.根据权利要求1所述，两个海面浮体平台之间的交通航道，其技术特征是：两个海面浮体平台的Y轴端点相距足够，设宽300m，海中交通轨道水深足够，设深50-100m，超过苏伊士运河的通航条件，适合任何海上船只通过。浮体平台Y轴端点设航标灯。

7.根据权利要求1所述，海中交通轨道水平位置维持及修正系统，其技术特征是：海中有洋流等恒久横冲力量推动海中交通轨道偏移位置。首先，设卫星定位监测系统对轨道线路位置进行长期实时监测。要对两段轨道的接口处安装必要的阻尼装置。接口处的法兰是弹簧压紧的，在巨力冲击下起到手风琴页的卸力作用。在每段交通轨道中间的下方投放链锚，防止大幅度的动荡漂移。如果海中交通轨道途经海底山、岛屿的话，就建设海底高架进行托举固定。最重要的是，在每段300m交通轨道中间部位的直径水平路面的外侧部设可变向的电机螺旋桨，根据卫星定位监测的实时指令信息，提供反向推力，进行位置修正。

8.根据权利要求1所述，海中交通轨道有中途停车站和休息区，其技术特征是：跨海越洋的海中交通轨道，停靠站点的轨道圆筒下设强力弹簧承托垫，长度与磁悬浮列车相同，称为停靠码头亦可。浮力与重力的平衡调节只要靠海面的可伸缩气囊。车站或休息区的建筑是圆球形的，附着在交通轨道圆筒上，圆球内部建筑结构整体的可调节密度为1，与水密度相同，不给交通轨道圆筒增加重力负担。

9.根据权利要求1所述，海上浮体平台和海中交通轨道设风力发电的电力供应系统，其技术特征是：在十字坐标系浮体平台上的南北方向设一纵队阵列的五个风力发电机组，每机组纵向相距30m，为整个系统的淡水制造、磁悬浮列车、浮力和重力维持平衡系统、水平位置维持及修正系统、通风及照明等等用电设备提供足够的电力。

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