专利名称：冰复合体的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于建造位于水中或水面的固定或漂浮的建筑物的冰复合体。
背景技术：
NO.4456072美国专利说明书公开了一种用于安装在位于水中的水下钻井场上的固定建筑物，这里的水在冬季正常情况下是结冰的。这个建筑物大体包括同心垂直定向的圆柱形内外壁，在内外壁之间形成了一个圆形空间。用冰填充该空间，填充冰后，壁向下延伸到海底，插入的空间也填充着冰。这样内壁区域就围住了大量封闭的水，通过在水面和内壁区域散布一层绝热材料，这些水相对不易结冰，诸如海底石油钻井能在整个冬季进行。
尽管该建筑物提供了一个人工岛，它的缺点是它的使用被限制到在冬季正常情况下结冰的水域。因此它的使用被限定到仅仅有限的地理区域和季节。尽管这足够达到它的目的(保持钻井场在冬季工作)，以及这项技术的地理和季节限制不是上述应用的缺点(因为该建筑物仅在那个季节和那个区域才需要)，NO.4456072美国专利说明书中公开的建筑物只能是有限的应用。
NO.4456072美国专利说明书中的建筑物的另一个局限是它们要求固定到海底并且不能在一个水位相对深的地方使用。
有人建议将冰运到更多的温度地带，例如假设冰在运输过程中的溶化损失不是太大将大冰块运到干旱地区。这类建议没有付出实施，因为它们强调已发觉的原因是限于使用在北极或南极地区以外的冰，即在任何大规模或任何长时期使用冰时，冰的致冷费用被认为太高。
尽管毫无疑问还有在建筑场合中使用冰的其它建议，但这些建筑物的一般问题是它们的使用受到地理和/或季节的限制。
本发明的目的是提供一种使上述缺点减少或消除的冰复合体，以及实现冰复合体的潜在建筑应用，特别是实现制造任何所需形状设计和结构尺寸稳定的冰复合建筑物的能力。
发明概述根据本发明提供一种用于建造位于水中或水面的固定或漂浮建筑物的冰复合体，所述的复合体包括一个内部冰核；一个起保护作用的外部护面层；用于使冰核热绝缘的装置以及包括一个供体内致冷剂使用的导管系统的致冷装置，所述的绝热装置和致冷装置相对于周围水的环境温度相适应以保持冰核处于冷冻状态。
已经发现这种结构可以在温度远高于冰点以上的水中使用冰复合体。以这种结构为基础，根据本发明的冰复合体可以用于建造大规模的建筑工程，而只用使用现有材料建造相同的建筑物的费用的一部分。
上述建筑物的典型例子是桥梁、长堤、防波堤、浮桥、人工岛、水坝、挡潮坝、波浪动力坝、港湾壁、风动农场或人工跑道。这些应用仅通过实例给出。
当根据本发明的冰复合体用于建造位于水中或水面的固定或漂浮的建筑物时，冰核最好保持低于0℃，并在它的最大受压点，冰每受到50个大气压再进一步降低0.5℃，所述压力包括在正常使用中受到的压力冲击波。
温度限制可以防止由于穿过复合体的冲击波产生的内部压力和/或冲击波阵面通过部分溶化或局部溶化使复合体受到削弱。尽管通过使冰核的温度尽可能的最低可能较好地增加复合体的强度，由于致冷费用随温度降低而增加，这将是不经济的。通过使冰核保持在或略低于设定的温度，花最少的致冷费用可取得最佳的强度。
例如，如果复合体被用作一个漂浮跑道的基础，在用上述公式计算冰核的温度时，冰本身重量产生的内部或静压力(lithostatic pressure)、周围水产生的液压，以及飞机迫降的冲击波产生的最大压力都必须加以考虑。
类似地，当根据本发明的冰复合体用于建造位于咸水中或咸水面的固定或漂浮的建筑物时，冰核最好保持低于-2.2℃，并在它的最大受压点，冰每受到50个大气压再进一步降低0.5℃，所述压力包括在正常使用中受到的压力冲击波。
这个温度限制考虑了咸水更低的冰点。如果冰中含有其它改变溶点的添加剂，上述公式中的数字0℃或-2.2℃将被含有这种添加剂的冰的相应冰点所代替。
在有些实施例中，绝热装置是护面层的一部分，绝热程度由所述护面层的厚度和所述护面层使用的材料的性质来确定。
在其它实施例中，绝热装置包括一个位于冰核和护面层中间的绝热材料层。
绝热装置是护面层的一部分或者是一个单独的层是根据需要，例如安全、强度、当地平均温度和使用期费用来决定，选择是由建筑物的设计者在使用期费用最低的情况下使用满足全部安全和规则要求的正常的设计标准来作出。
最好，绝热装置和致冷装置相适应以在环境水温大于5℃，最好大于10℃或15℃时保持冰核处于冷冻状态。
根据本发明，冰核可以保持在任何大于0℃的水中，并且没有使用本发明的水温技术上限。
由于护面层、绝热层和致冷装置使得冰核在升高的环境水温中保持结冰，本发明可以在5℃、10℃、15℃或更高的温度中使用，而现有的冰复合体仅适合于在冷的环境中使用。
如果有导管，导管相适应地限定在护面层和绝缘层中。
另一种方法，导管延伸到冰核中。
当导管延伸到冰核中时，它们可对建筑物起加固作用，而且它们使整个冰核更容易保持所需的温度。
对于根据本发明的一种用于建造位于水中或水面的固定或漂浮的建筑物的复合体，最好护面层装在冰核的顶部和侧面，而冰核被冰冻在水底。
这样的优点是通过冰核和水底的凝固结合，建筑物在构造上牢固地固定到水底。一个不漏水的密封就形成了，在万一任何方向的水通过都受到建筑物的限制的情况下，这种不漏水的密封是特别的重要。例如，如果建筑物包含一个用于接近核的内部的水底的中空竖井，不漏水的密封提供了一种获得一个干的内部竖井的简易方法，人们可以在竖井中工作，设备也可以在竖井中使用。另外一个例子是，如果建筑物是大坝或潮水力发电站的一部分，在这种情况下可防止水穿过建筑物。
在用现有材料建造的现有技术的大坝或潮水力发电站中，由于必须打地基，底部的不漏水的密封在技术上是很难实现的。即使不需要不漏水的密封，由于必须在水底打桩以固定建筑物，现有建筑物的固定安装是较困难并且费用高。
对于根据本发明的用于建造位于水中固定建筑物的复合体，侧面相应地倾斜成一角度以形成一锥形的建筑物，该建筑物底部比顶部宽，所述倾斜的侧面用来减小随深度增加而增加的液压和静压产生的应力。
这里的“静压”表示在固体上的单位平面面积的压力，该压力是由于作用在这个面积上的固体或液体材料重量产生的，类似于流体中的单位面积上的液压。
如果通过侧面倾斜成一角度减小了应力，用最少量的材料可以获得一个稳定坚固的建筑物。
此外，侧面最好从垂直线以θ角倾斜，θ角根据下列公式确定Hc tcDc tanθ＝Fi-Fw，其中Hc是水底上的护面层的最高点的高度；tc是护面层和绝热层的厚度，如果存在的话；Dc是护面层和绝热层的平均密度，如果存在的话；
Fi是冰的静压施加在护面层和绝热层单位长度上的平均力，如果存在的话；Fw是周围水的液压施加在护而层和绝热层单位长度上的平均力，如果存在的话；另一方面，如果侧面从垂直线倾斜θ角，表达式Fi-Fw-(Hc tcDc tanθ)是正值，术语Fi，Fw，Hc，tc，Dc如上所定义，复合体最好还包括一个与位于复合体相对侧的护面层相连的拉伸部件以抵消任何净压缩力。
还有另一种情况，如果侧面从垂直线倾斜θ角，表达式Fi-Fw-(Hc tcDc tanθ)是负值，术语Fi，Fw，Hc，tc，Dc如上所定义，复合体最好还包括一个与位于复合体相对侧的护面层相连的压缩部件以抵消任何净拉伸力。
在优选实施例中，护面层包括许多相邻的护板侧面部件，所述部件根据水底的地形具有不同的长度，这样，复合体相对于水位就有恒定的高度。
尤其是对位于不规则的海底的细长建筑物，这种结构大大有助于该建筑物的固定。在建造一个大规模的建筑物之前，无论如何需要首先绘制海底的地形图，地形图中的任何水深变化都可以通过制造护板侧面部件加以校正以提供一个在水面上有恒定高度的最终建筑物。
当冰核与水底形成不漏水的密封时，与水底紧相邻的那部分冰核最好没有护面保护层。
在优选实施例中，有一个穿过冰核到水底的竖井，以便在大气压和干燥条件下在水底开展工作。
相应地，竖井有足够大的直径以容纳人和任何在水底必须的装备。
对于根据本发明的一种用于建造位于水中或水面的漂浮的建筑物的复合体，冰核最好完全包围在所述护面层中。
复合体最好还包括将复合体固定到海底的部件。
复合体最好有正的净浮力。这可确保复合体漂浮，如果复合体需要移动，例如，它可由一个拖船拖动，复合体的漂浮是非常有帮助的。如果一个所需的复合体没有正的净浮力，那么必须安装漂浮辅助装置。
护面层最好包括一个双层壳。这是在出现紧急情况下有帮助作用的另一个安全特征。例如，如果外部壳被刺穿后，复合体仍保持一个整体，冰核将不会因为冰核和周围的水接触而溶化。
护面层中使用的材料最好从金属、石头、混凝土、钢筋混凝土、沥青碎石、瓷砖和砖块中选取。
绝热材料最好从空气、冰、密封水、石头、泥土、混凝土、钢筋混凝土、绝热水泥、塑料泡沫、木材、木材屑、废纸、沙子、处理过的城市废弃物、纺织纤维和矿物纤维中选取。
相应地，致冷剂导管预先一体地安装在护面层或绝热层，如果存在的话。
另外一种方法，致冷剂导管与护面层或绝热层分开地形成，如果存在的话。
在一个实施例中，致冷剂导管对于复合体起着内部加强部件的作用。
冰核最好是由冰冻前除去离子和/或脱气的水形成。这将有助确保冰核有高纯度以及冰核中不会形成杂质或缺陷，杂质或缺陷将削弱复合体的强度。
相应地，冰核最好是由冰冻前或冰冻过程中加入添加剂的水形成，所述添加剂在冰形成时对改变冰的密度有效果。
还有相应地，冰核最好是由冰冻前或冰冻过程中加入添加剂的水形成，所述添加剂在冰形成时对增加强冰的强度有效果。
添加剂最好从明胶、任何取代物主要是羟基的长链碳氢化合物以及有氢或氢氧结合基的长链聚合电解质中选取。
此外，添加剂也可从金属纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、矿物纤维、塑料或聚合物纤维、碳纤维、泥煤纤维、木材纤维、混凝土、沙子、砾石、石头、塑料泡沫颗粒、木屑和锯末中选取。
添加剂最好在冰冻前或冰冻过程中加入水中。
当水复合体冰冻时，它一般要经过一个半融的阶段，即在完全冰冻前，仍保持许多液体的特征。添加剂在这个阶段加入较有利，以确保在水固化时添加剂在水中较好地分布。如果添加剂是以正常情况下在水中下沉或漂浮的颗粒物质形式存在，这可能是很重要的。
在许多情况下，添加剂仅加到冰核的限定区域。例如，可加入木浆以增加拉伸部件或压缩部件所在区域的冰的强度。添加剂也可用于影响在冰核限定区域的冰的热传导率。
如下所述，护面层可由按标准尺寸设计的部件形成，冰用作将所述部件连接在一起的结构材料。
本发明还包括一个用于建造根据本发明的冰复合体的护面层材料壳。
相应地，壳还包括一个位于护面层内部上的绝热层。
壳最好还包括致冷剂导管。
根据本发明的壳可以在一个地方制造(可选择带有绝热层和/或致冷剂导管)，并在冰冻前在另一个地方充满水。这样的优点是可降低运输费用。
在另一方面，本发明包括建造根据本发明的冰复合体的方法，该方法包括用滑模或连续替换模板技术建造护面保护层的壳的步骤。
还有另一方面，本发明包括建造根据本发明的冰复合体的方法，该方法包括的步骤建造包括护面保护层、致冷剂导管和可选择的绝热层的壳；将处于倒置位置的所述壳充满水；冷冻所述的水；以及将所形成的复合体在它将位于的地方倒置过来。
还有另一方面，本发明包括建造根据本发明的用于平均环境温度高于水的冰点的环境中的冰复合体的方法，该方法包括的步骤在平均环境温度低于水的冰点的地方冰冻所述冰核；以及随后将冰复合体运到它将被使用的环境。
这样，在充填或部分充填冰后，如果壳漂浮，它可被从一个冷的地方(冷冻费用较低)拖到一个较热的地方使用。如果壳不漂浮，可以使用安装在其上的漂浮辅助装置拖动它。
另外，本发明包括将冰复合体固定到水底的方法，该方法包括的步骤使复合体降低与水底接触，复合体有一个冰暴露出来的底部表面；以及充分冷冻冰导致底部表面与水底结合在一起。
在这个过程中，复合体最好下降到一个多孔的水底，致冷作用引起正位于复合体下面的水底包围的水冷冻以便与底部表面结合在一起。
还有另一方面，本发明包括建造根据本发明的冰复合体的方法，该方法包括的步骤将水除去电解质和/或脱气；冷却所述水以便使它冷冻；以及在水冰冻前向水中加入如上所限定的添加剂。
本发明还包括一个位于水中或水面的固定或漂浮的建筑物，该建筑物包括一个根据本发明的冰复合体。这种建筑物的典型例子包括但不局限于桥梁、防波堤、长堤、浮桥、人工岛、水坝、挡潮坝、波浪动力坝、港湾壁、风动农场或人工跑道。
在合适的建筑物中，护面保护层的顶部表面最好有道路表面或铁轨。
通过参照附图给出的实例，根据对其实施例的如下描述，进一步说明本发明。
附图简述
图1是根据本发明的固定到水底的冰复合体第一实施例的局部剖视图；图2是根据本发明的漂浮在水中的冰复合体第二实施例的局部剖视图；图3是根据本发明的固定到水底的冰复合体第三实施例的局部剖视图；图4是根据本发明的漂浮在水中的冰复合体第四实施例的局部剖视图；图5是根据本发明的固定到水底的冰复合体第五实施例的切面剖视图；图6是用于建造根据本发明的固定到水底的冰复合体的护面部件的透视图；图7是根据本发明使用图6的护面部件建造的冰复合体第六实施例的切面剖视图；图8-11显示了建造根据本发明的冰复合体的依次的阶段；图12是根据本发明的以支撑道路的浮桥形式存在的冰复合体第七实施例的透视图；图13是图12的实施例的切面剖视图；实现本发明的方式图1中标号为10的是根据本发明用于建造位于水中的固定建筑物的冰复合体。复合体10以合乎透视方式显示并带有显示其截面的剖面图。可以看出复合体10具有类似于许多长堤或港口防波堤的形状，复合体10作为这样一个建筑物是有用的。
复合体10包括一个冰核11；一个钢筋混凝土护面层12；一个混凝土绝热层13；以及一个致冷剂导管系统14，该系统使用时充满着由致冷机(未显示)供应的循环致冷剂。
在这个实施例中，在复合体10的底部15没有使用绝热体或护面板。水面16和水底17也显示出来。在底部下面，冰核11引起水底17冷冻，以便形成一个冷冻的水底扩展区18(即一个扩展的冰面)。达到通过地热负荷和由致冷作用移去的热负荷相等决定的平衡点时，冰冻区18形成地表下冰层，地热负荷是恒定的并且较小，致冷作用移去的热负荷由于冰冻水底区18的冰的绝热效果而减少，它减少一直到这两种热负荷相等。这个冰冻的冰面将复合体10和水底17结合起来并在底部形成了一个坚实的不漏水的密封。这个实施例特别适合于将诸如固定的长堤、水坝、挡潮坝、波浪动力坝、港湾壁、防波堤和类似建筑物固定到水底。
图2显示了冰复合体的第二实施例，标号为20。复合体20适合于漂浮的应用场合并有一个类似于许多海上船只、漂浮防波堤、浮桥和类似物的形状。复合体20包括一个冰核21；护面层22；绝热层23；以及致冷剂导管24。在该实施例中，护面层22和绝热层23沿着复合体20的整个外部延伸。水面25显示在复合体的两侧。该实施例特别适合于用作一个需要经常移动的漂浮建筑物。
图3显示了一个平头圆锥式的固定的冰复合体，标号为30，随着水深增加，它的厚度增加。该实施例特别适合于固定到海底的人工岛。
侧面31与垂直线成θ角，θ根据公式Hc tcDc tan θ＝Fi-Fw来确定。上述已给出了术语的含义。这个角度使得复合体的强度最佳向着底部复合体的厚度增加，复合体越牢固。强度的增加适应了增加的力产生的额外张力，随着深度增加，风浪冲击的增大倾覆动量产生了增加的力。
图4显示了类似于图2的圆形平面漂浮复合体40。图中标明的是冰核41、护面层42、绝热层43和致冷剂导管44。该实施例特别适合用作一个不必频繁移动的漂浮建筑物。
图5显示了一个有特别优点的冰复合体实施例，标号为50，它以通过冷冻结合固定到海底51并有圆形平面的人工岛的形式存在。复合体50在50米深的水中提供了一个岛，该岛有大约4公顷的面积。典型的尺寸是直径(d)是225米，水深(x)是50米，以及水面高度(y)是30米。
复合体50包括冰核51、护面层52、绝热层53以及致冷剂导管54。复合体50特别适合于通过干的竖井50在干的情况下完成海底建筑物55。这就使得可以建造提升石油产品的管道或矿物升降机57，并能在不使用潜水员或水下运输工具的情况下直接在海底对其进行检修和保养。58表示的是一个废弃的水下装置。很显然，在被开采的矿物储存枯竭时，该实施例的复合体可以移动并在其它地方重新利用。
图6和7图示了在建筑物中使用按标准尺寸设计的部件的实施例。一组按标准尺寸设计的建筑部件60彼此相邻，每个部件的高度是根据部件所在位置的水深确定的。每个部件包括覆盖在绝热层上的护面层，致冷剂导管安装在绝热层的内部(在图6和7中这些组件没有单独显示出来)。在图7中，显示了冰核61和水底的平衡冰面62。由于单个的建筑部件的长度相对于水深(由最初的勘查决定)来选择，所形成的复合体的顶部表面63在水位64上具有恒定的高度。
在建造和固定根据本发明的冰复合体时可采用不同的方法。在一个方法中，护面板和绝热体的表面建成一个大的壳或者是使用特别生产的模板分部建造，这些部分可以是单独的模件或者是单个大的建筑物。在制造它们的最合适位置制造好护面板、绝热体和致冷系统以后，通过拖船或其它合适的方法将它们拖到制造冰的地方，在这个地方致冷和制造冰核是特别的经济。在这个地方的冷空气可用于致冷。
通过水箱或使用复合体壳的内部作为船体将脱气、除去电解质和处理过的淡水运到制造冰的地方。在后一种情况中，壳中的部分冰可用作低成本的建筑材料，该材料可将壳部件各部分相互粘在一起并形成使水的运输不费力的不漏水的密封。在制造冰的地方，脱气、除去电解质和处理过的淡水被冷冻，形成使复合体的核具有最佳强度性质的硬淡水冰。然后将复合体移动到它的使用地以便定位或固定和使用。
在一个类似的尤其适合在寒冷气候的水中的建造的方法中，复合体按照图8-11所示的一系列阶段制造(也可处于倒置位置)。
建造冰复合体70的第一步如图8所示。第一阶段包括按照它的确定形状建造护面层71形成一个类似复合体的容器，它漂浮在使用它的水中，如果必要，可在它的外部装上浮力辅助装置。然后在它里面衬上绝热材料72。随后，将致冷剂导管73沿着复合体的内侧按照它的确定位置固定在容器中，这时复合体处于它的确定位置。接着，容器中第一次注入脱气、除去电解质的淡水74，根据需要用选择的添加剂来处理。因为在形成冰的过程中水的体积膨胀，选择的水量结果形成第一阶段冰填充量。
通过致冷剂导管73泵入致冷剂以冷却水从而形成如图9所示的第一阶段冰核75。在冰的形成过程中，通过控制致冷速率和温度降低率，以防止形成张力过度集中，尤其是在复合体70的外部和内部之间。也可通过仔细选择护面板的侧面部件的最初倾斜角θ来控制应力集中。如果需要一个特别坚固的结构或密度有所变化，在冰冻的半融阶段可向水中加入增强化学物质、纤维、石头或金属加强物。
随后的如图10和11的阶段包括建造护面层71、绝热层72和导管73；加入另外的水74；将第二阶段的水冷冻成第二阶段的冰75；以及重复这个方法直到达到需要的总设计尺寸。
对于图8-11所示的实施例，复合体70相对最终的使用定向而倒置。最后的阶段包括或者封闭带有在冰核外部的致冷剂导管系统、绝热层和护面层的复合体，随后将该复合体固定或动态地定位在一个位置；或者不封闭没有绝热和护面板的底面，如果该底面将在现场冷冻以便固定到水底。该方法尤其适合在陆地建筑空间有限的地方用按照标准尺寸设计的部件建造一个大的复合体。
显然，根据本发明的复合体一般可设计成与任何底部区域相适应并且在压载箱的固定和稳定或去掉在制造过程中任何维持漂浮所需的辅助装置后，复合体可安放到任何形状和结构的底部区域，随后致冷系统逐渐冷冻以便如图1和3所示将复合体的底部和水底结合起来直到达到扩展冰而的平衡点。即使对于不规则形状的水浸泡的底部区域，该方法将产生复合体的不漏水的结合。
将要描述的第二种方法包括运用现有的如模板和类似方法的技术在复合体的最终使用地点现场建造复合体。这种方法尤其适合于在陆地上建造但也可以在水底完成。这种方法也可分以下阶段实现将致冷剂导管安装在确定的位置；用所选择的材料使它们形成绝热层和护面层；为了冷冻将工作区隔离(例如通过合适的可移动的容器、模板或罩)以便围住工作地和控制将冷冻的水的组成；将淡水注入原工作区的水中；根据需要处理水；和通过盘管注入致冷剂以冷冻水。随后的阶段按照类似的方式建造，直到达到所需尺寸，形成一个带有致冷剂导管、绝热层和护面层的复合体，并将容器、模板和罩移去以便用于别处。这种在现场建造的方法在水底地形不平坦的地方尤其有用。
第三种方法包括通过使一个自然产生的冰块变成所需的形状从而由合适的自然产生的冰制造复合体；将按照标准尺寸设计的致冷、绝热和护面板部件安装到复合体的外表面；以及将复合体移到需要固定的位置。使用第三种方法是因为复合体不会受到巨大应力、复合体的失败不会有灾难性的后果以及只需花必要的费用。
图12和13中标号为80的是另一种冰复合体，该复合体以承载着路面81的浮桥形式存在，该路面供车辆82通行。复合体80有一个内部冰核83(图13)；第一护面层84；空气绝热层85；以及通过隔离物87与第一护面层84分开的第二护面层86。一对挡板88使路面81免受风浪。
复合体80通过一组系留缆89(参看图12)系住并安放在延伸到海底的支架90(图13)上。支架90可以是刚性的或柔性的，在它上面还可安装用于调节柔韧度的传感器或部件(类似于汽车中的灵活的支撑系统和高层建筑中的防震机构)。
令人吃惊的发现是，根据本发明的冰复合体具有很大的强度，它比本发明也适合的特定制造目的任何已用过的其它形态的人造材料都要坚固。由于护面板将施加的负荷分布在宽阔的冰面上并且可通过控制冰的温度来控制它的强度，因此，这种复合体可设计成任何所需的强度直到护面板表面本身的强度。在水深100米处，冰的一般强度为0.5-2.5N/mm2。
还有令人吃惊的发现，这类冰复合体并不以冰川或软冰随时间变形的方式改变形状，相反是尺寸稳定，或多或少的长期保持它的形式和形状，所以能用于有效地建造大的永久性建筑物。
如上所讨论的还发现，去掉复合体底部的护面板和绝热层可以使致冷剂导管冷冻水底的任何自然或加入的水，该水底的基质紧挨着复合体的冰体。这可在不需打桩或灌薄胶泥的情况下使得在指定的放置复合体的任何区域的外形和轮廓上形成坚固的冰冻结合和不漏水的密封，即使对于浸泡的、泥土的、砂质的、泥煤的、泥泞的、或覆盖着松石或类似物的底部区域。
对于漂浮的建筑物，相对于水而言，密度越低的冰将产生令人吃惊的大的浮力和以相对低的费用承载压力的表面，并通过合适的添加材料在冰中形成空缺来增大浮力。通过增加正浮力，复合体可以在水面或海面漂浮得更高并可承载为了许多用途的机械、设备、储藏装置、机构、建筑物或交通工具的更大有用负荷。
通过在冰核的形成过程中加入比水重的物质颗粒，复合体获得一个比水高的比重，结果它形成了与水底或海底的底部的重力结合并加强了与冰所处的区域的构造上的连接。一个具有与水相等的密度的复合体通过确保至少建筑物的11％露出水面来与水底形成重力结合。
对于固定建筑物，与不规则的地形适应、在这种地形上获得一个坚固的不漏水的密封以及经受住地动的容易性，强度随时间的增加，修复任何损坏的容易性，没有任何危害环境的放射物，移动的容易性以及没有与移动相关的任何危害环境的影响产生了一种对于在水环境中的某些大的固定建筑物特别适合的材料，尤其足在合适深度的温暖的咸海水中。
本发明给建筑物提供了这样一种设计对于建筑物的特定地点和/或特定形状可提前推测出它承受的应力或压力性质，以便建筑物以可预测、可控制的方式承载施加的负荷。这样，尽管设计工程师使用传统的建筑材料和方法，他们却可发现用来建造一个永久的冰建筑物的最佳方法，该建筑物能在世界任何地方使用。
通过本发明的有用性的说明，图12和13的实施例能够与一个现有的道路桥梁相比，尤其是一个长的桥梁。本发明的实施例是更安全和成本更低。由于它不是刚性地固定到地面上，它能更好地防止地震震动。通过冰的能量吸收性质安全特性得以提高。大的惯性和强度使得复合体能更好地经受风浪的冲击。
一个修建用于承载汽车道的从西西里到意大利大陆的现有桥梁按照欧盟的计划已花费了超过20亿的欧洲货币单位(近似25亿美元)。一个根据图12和13的建筑物设计的桥梁，它宽38米，可承载六个汽车道，横跨从西西里到意大利的同样的海面距离，花费3亿欧洲货币单位(近似3.75亿美元)。这个费用中包括独立的发电站、致冷设备和管道的费用，以及包括发电站15年的运行费用。尽管在地中海有相对热的海水温度(测算的海水温度高达30℃)，使用本发明的冰复合体能节省近85％的费用。在较冷的气候比在地中海的气候中运行费用更低。
权利要求
1.一种用于建造位于水中或水面的固定或漂浮建筑物的冰复合体，所述复合体包括一个内部冰核；一个起保护作用的外部护面层；使冰核热绝缘的装置以及包括供体内致冷剂使用的导管系统的致冷装置，所述绝热装置和致冷装置相对于周围水的环境温度相互适应以保持冰核处于冷冻状态。
2.如权利要求1所述的冰复合体，用于建造位于淡水中或淡水面的固定或漂浮建筑物，其特征在于冰核保持在0℃以下，并在它的最大受压点，冰每受到50个大气压再进一步降低0.5℃，所述压力包括在正常使用中受到的压力冲击波。
3.如权利要求1所述的冰复合体，用于建造位于咸水中或咸水面的固定或漂浮建筑物，其特征在于冰核保持在-2.2℃以下，并在它的最大受压点，冰每受到50个大气压再进一步降低0.5℃，所述压力包括在正常使用中受到的压力冲击波。
4.如前面的任何一项权利要求所述的冰复合体，其特征在于绝热装置是护面层的一部分，绝热程度是由所述护面层的厚度和所述护面层使用的材料性质决定的。
5.如权利要求1到3的任何一项所述的冰复合体，其特征在于绝热装置包括一个位于冰核和护面层之间的绝热材料层。
6.如前面的任何一项权利要求所述的冰复合体，其特征在于所述绝热装置和致冷装置相互适应以在环境水温大于5℃的情况下保持冰核处于冰冻状态。
7.如权利要求6所述的冰复合体，其特征在于所述绝热装置和致冷装置相互适应以在环境水温大于10℃的情况下保持冰核处于冰冻状态。
8.如权利要求7所述的冰复合体，其特征在于所述绝热装置和致冷装置相互适应以在环境水温大于15℃的情况下保持冰核处于冰冻状态。
9.如前面的任何一项权利要求所述的冰复合体，其特征在于如果导管存在的话，导管被限定在护面层和绝热层中。
10.如前面的任何一项权利要求所述的冰复合体，其特征在于导管延伸到冰核中。
11.如前面的任何一项权利要求所述的冰复合体，用于建造位于水中的固定建筑物，其特征在于护面层安装在冰核的顶部和侧面，并且冰核在水底上被冷冻。
12.如权利要求11所述的冰复合体，其特征在于侧面成一定的角度以便提供一个底部比顶部宽的锥形建筑物，所述成角度的侧面用来抵消风浪冲击的倾覆动量所产生的力。
13.如权利要求12所述的冰复合体，其特征在于侧面与竖直线成θ角，θ角通过下列公式来确定Hc tcDc tanθ＝Fi-Fw，其中Hc是水底上的护面层的最高点的高度；tc是护面层和绝缘层的厚度，如果存在的话；Dc是护面层和绝缘层的平均密度，如果存在的话；Fi是冰的静压作用在护面层和绝缘层单位长度上的平均力，如果存在的话；Fw是周围水的液压作用在护面层和绝缘层单位长度上的平均力，如果存在的话；
14.如权利要求12所述的冰复合体，其特征在于侧面与竖直线成θ角，表达式Fi-Fw-(Hc tcDc tanθ)是正值，术语Fi，Fw，Hc，tc，Dc如权利要求13所定义，复合体还包括一个与位于复合体相对侧的护面层相连的拉伸部件以抵消任何净拉伸力。
15.如权利要求12所述的冰复合体，其特征在于侧面与竖直线成θ角，表达式Fi-Fw-(Hc tcDc tanθ)是负值，术语Fi，Fw，Hc，tc，Dc如权利要求13所定义，复合体还包括一个与位于复合体相对侧的护面层相连的压缩部件以抵消任何净压缩力。
16.如权利要求11到15中的任何一项所述的冰复合体，其特征在于护面层包括一组相邻的护面侧面部件，所述部件根据水底的地形而具有不同的长度，以便复合体相对水面有一个恒定的高度。
17.如权利要求11到16的任何一项所述的冰复合体，其特征在于冰核与水底形成了一个不漏水的密封，冰核与水底直接相邻的部分没有护面保护层。
18.如权利要求11到17的任何一项所述的冰复合体，其特征在于穿过冰核到水底有一个竖井，以便在大气压下、在干燥的条件下完成水底工作。
19.如权利要求18所述的冰复合体，其特征在于竖井有足够大的直径以容纳人和水底所需的设备。
20.如权利要求1到10中的任何一项所述的冰复合体，用于建造位于水中或水面的漂浮建筑物，其特征在于冰核完全包围在所述护面层中。
21.如权利要求20所述的冰复合体，还包括用于将复合体固定到水底的部件。
22.如权利要求20或21所述的冰复合体，其特征在于复合体具有正的净浮力。
23.如权利要求20到22中的任何一项所述的冰复合体，其特征在于护面层包括一个双层壳。
24.如前面的任何一项权利要求所述的冰复合体，其特征在于护面层中使用的材料选自于由金属、石头、混凝土、钢筋混凝土、沥青碎石、瓷砖和砖块组成的群组。
25.如权利要求5或它的任何一项从属权利要求所述的冰复合体，其特征在于绝热材料选自于由空气、冰、密封水、石头、泥土、混凝土、钢筋混凝土、绝热水泥、塑料泡沫、木材、木材屑、废纸、沙子、处理过的城市废弃物、纺织纤维和矿物纤维组成的群组。
26.如前面的任何一项权利要求所述的冰复合体，其特征在于如果存在的话，致冷剂导管预先一体形成在护面层或绝热层中。
27.如前面的任何一项权利要求所述的冰复合体，其特征在于如果存在的话，致冷剂导管与护面层和绝热层分开地形成。
28.如权利要求27所述的冰复合体，其特征在于致冷剂导管用作复合体的内部加强部件。
29.如前面的任何一项权利要求所述的冰复合体，其特征在于冰核由在冰冻前除去电解质和/或脱气的水形成。
30.如前面的任何一项权利要求所述的冰复合体，其特征在于冰核由在冰冻前或冰冻过程中加入添加剂的水形成，所述添加剂在冰形成时对改变冰的密度有效。
31.如前面的任何一项权利要求所述的冰复合体，其特征在于冰核由在冰冻前或冰冻过程中加入添加剂的水形成，所述添加剂在冰形成时对增加冰的强度有效。
32.如权利要求30或31所述的冰复合体，其特征在于，所述添加剂选自于由明胶、任何取代物主要是羟基的长链碳氢化合物以及有氢或氢氧结合基的长链聚合电解质组成的群组。
33.如权利要求30或31所述的冰复合体，其特征在于，所述添加剂选自于由金属纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、矿物纤维、塑料或聚合物纤维、碳纤维、泥煤纤维、木材纤维、混凝土、沙子、砾石、石头、塑料泡沫颗粒、木屑和锯末组成的群组。
34.如权利要求30到33的任何一项所述的冰复合体，其特征在于添加剂在水冰冻前或冰冻过程中加入水中。
35.如前面的任何一项权利要求所述的冰复合体，其特征在于护面层是由按照标准尺寸设计的部件形成的并且冰用作将所述部件固定在一起的结构材料。
36.一种用于建造如前面的任何一项权利要求所述的冰复合体的护面层部件的壳。
37.如权利要求36所述的壳，还包括一个在护面层的内部的绝热层。
38.如权利要求36或37所述的壳，还包括一个致冷剂导管。
39.一种建造如权利要求1到35中的任何一项所述的冰复合体的方法，包括使用滑模或连续替代模板的技术建造一个护面保护层的壳的步骤。
40.一种建造如权利要求1到35中的任何一项所述的冰复合体的方法，包括以下步骤建造一个包括护面保护层、致冷剂导管和可选择的绝热层的壳；向处于倒置状态的壳充填水；冷冻所述的水；以及在复合体将要固定的地点将所形成的复合体倒置过来。
41.一种建造如权利要求1到35中的任何一项所述的用于平均环境温度高于水的冰点的环境中的冰复合体的方法，包括在平均环境温度低于水的冰点的地方冷冻所述冰核，以及随后将冰复合体运到它将要使用的环境中的步骤。
42.一种建造如权利要求1到35中的任何一项所述的冰复合体的方法，包括以下步骤将水除去电解质和/或脱气；冷却所述的水以便使它结冰；以及在结冰前加入如权利要求30到34的任何一项所述的添加剂。
43.一种将冰复合体固定到水底的方法，包括以下步骤使复合体下降与水底接触，复合体有一个冰暴露出来的底部表面；以及使冰足够冷却从而导致底部表面与水底结合起来。
44.如权利要求43所述的方法，其特征在于复合体下降到一个多孔的水底，并且致冷作用导致位于复合体正下方的水底包含的水结冰从而与底部表面结合在一起。
45.一种位于水中或在水面的固定或漂浮建筑物，包括如权利要求1到35的任何一项所述的冰复合体。
46.如权利要求45所述的建筑物，可以桥梁、防波堤、长堤、浮桥、人工岛、水坝、挡潮坝、波浪动力坝、港湾壁、风动农场或人工跑道的形式存在。
47.如权利要求45所述的建筑物，其特征在于护面保护层的顶部表面有一个路面或铁轨。
48.一种参照附图1-13大体如上所描述和图示的冰复合体。
49.一种大体如上所述的建造冰复合体的方法。
50.一种大体如上所述的将冰复合体固定到水底的方法。
51.一种参照附图1-13大体如上所描述和图示的位于水中或水面的固定或漂浮建筑物。
全文摘要
一种冰复合体(10)包括被起保护作用的外部护面层(12)所覆盖的内部冰核(11),护面层带有用于在它们之间使冰核(11)热绝缘的装置。包括供致冷剂使用的导管系统(14)的致冷装置位于复合体(10)内部,所述绝热装置和致冷装置相对于周围水(16)的环境温度相互适应以保持冰核(11)处于冷冻状态。复合体的底部(15)可与水底(17)直接接触以便冰核(11)被冷冻从而与水底的扩展冰面(18)结合。复合体可用于温暖或冷的水中的漂浮或固定场合,诸如桥梁、防波堤、长堤、浮桥、人工岛、水坝、挡潮坝、波浪动力坝、港湾壁、风动农场或人工跑道。冰复合体提供了与运用现有材料的同样的建筑物相比具有相同或更大强度的建筑物,并且具有相当低的成本。
文档编号E02B17/02GK1207150SQ97191625
公开日1999年2月3日 申请日期1997年1月10日 优先权日1996年1月10日
发明者帕德里格·麦克阿利斯特 申请人:帕德里格·麦克阿利斯特