本发明属于装配式混凝土结构，特别涉及一种预制预约束块材柱组合连接体系及验算方法和施工方法。
背景技术：
1、在建设工程中，框架柱、桥墩柱等经常使用结构柱。结构柱是建筑结构的重要组成部分，不但承受竖向荷载，而且承受地震和风作用下梁板传来的水平力。结构柱经常采用预制钢筋混凝土柱，为混凝土与钢筋组成。这需要用到大量的石、砂、水泥材料。据统计，我国建设用石占混凝土质量近1/2，其使用遍及建筑、交通和铁路等众多行业。目前合乎钢筋混凝土结构所要求的天然砂石已经难以满足工程需要，在实际工程中大量使用机制砂和机制石，通常采用振动给料机、颚式破碎机、制砂机、振动筛和胶带传输机等设备对天然石进行加工，把天然石块粉碎成小粒径石子或砂。在这个过程需要消耗较高的电力、运输、人工，而且产生许多粉尘。这对我们资源和环境带来较大的压力。如何在结构柱中减少水泥、小粒径砂、石的应用，对我国工程建设和节能环保有着重要意义。
技术实现思路
1、本发明的目的是提供一种预制预约束块材柱组合连接体系及验算方法和施工方法，可用于房屋建筑的柱和桥墩柱，解决了预制钢筋混凝土柱中使用过多水泥、小粒径砂、石的问题，并解决了块材与钢筋与混凝土协同受力的问题。本发明通过结构柱内置预约束块材，有效减少水泥、小粒径砂、石用量，减少水化热、减少粉尘；通过约束笼提升块材和混凝土的连接和受力，实现柱的力学性能。本技术具有性能可靠、构造简单、施工快捷、绿色环保等优势。
2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。
3、一种预制预约束块材柱组合连接体系，包括上下连接的预制预约束块材柱和现浇混凝土；预制预约束块材柱包括预约束块材、预制混凝土、钢连接件和柱钢筋；柱钢筋包括柱纵向钢筋和柱横向钢筋；柱纵向钢筋伸出预制混凝土；钢连接件伸出预制混凝土；下预制预约束块材柱的钢连接件与上预制预约束块材柱的钢连接件固定连接；下预制预约束块材柱的柱纵向钢筋与上预制预约束块材柱的柱纵向钢筋搭接或套筒连接；连接区域浇筑有现浇混凝土；连接区域无预约束块材。
4、优选的，预约束块材包括块材和约束笼；约束笼包括笼架和约束笼孔洞；块材内置在约束笼；柱横向钢筋沿着柱纵向钢筋间隔布置，形成柱钢筋笼；预约束块材被柱钢筋笼包围；钢连接件被柱钢筋笼包围；钢连接件和预约束块材、柱钢筋笼之间有间隙；预制混凝土填充预约束块材内的间隙；预制混凝土包裹柱钢筋笼；预制混凝土填充预约束块材、钢连接件和柱钢筋笼相互之间的间隙；约束笼孔洞处有预制混凝土，使约束笼内的预制混凝土和约束笼外的预制混凝土连接为一体。
5、优选的，约束笼在底端封闭或两端封闭；约束笼孔洞的尺寸小于该处块材的尺寸；笼架包括侧壁架和端部封闭件；端部封闭件为侧壁架延伸形成或为专用的端部封闭件；专用的端部封闭件与侧壁架连接为一体；块材距离预制混凝土的端部有一定距离；钢连接件为型钢或者钢构件。
6、优选的，约束笼为约束筋笼或网格笼；约束筋笼的笼架由约束筋组成；约束筋为钢筋或钢丝或frp筋；网格笼的笼架由金属网或带孔洞的钢板组成。
7、优选的，笼架有多个子空间；子空间相互独立，内放置有块材。
8、优选的，预制预约束块材柱有一个或多个空箍区；空箍区内无柱横向钢筋；预约束块材位于柱空箍区，被预制混凝土填充。
9、优选的，钢连接件包括有钢连接件腹板和钢连接件翼缘，钢连接件腹板和钢连接件翼缘固定连接；钢连接件上有抗剪件；抗剪件沿着钢连接件间隔设置，且与钢连接件固定连接；预约束块材被钢连接件腹板和钢连接件翼缘包围或被钢连接件腹板、钢连接件翼缘和柱钢筋笼包围。
10、优选的，钢连接件设置翼缘约束件；翼缘约束件沿着钢连接件翼缘端部间隔布置，两端分别与相邻的钢连接件翼缘固定连接；预约束块材被钢连接件腹板、钢连接件翼缘和翼缘约束件包围。
11、优选的，预制预约束块材柱与梁固定连接；梁为钢筋混凝土梁或钢骨混凝土梁；钢筋混凝土梁包括梁纵向钢筋、梁横向钢筋和混凝土；钢筋混凝土梁的纵向钢筋插入上下连接的预制预约束块材柱连接区域，位于柱纵向钢筋和钢连接件之间的间隙，被现浇混凝土包裹；钢骨混凝土梁包括梁纵向钢筋、梁横向钢筋、梁钢骨和混凝土；钢骨混凝土梁的纵向钢筋插入上下连接的预制预约束块材柱连接区域，位于柱纵向钢筋之间的间隙，梁钢骨与预制预约束块材柱中预埋件或钢连接件连接，梁纵向钢筋和梁钢骨在柱梁节点区域被现浇混凝土包裹。
12、优选的，这种预制预约束块材柱组合连接体系的轴压承载力验算方法，具体步骤如下：
13、步骤1，确定块材几何尺寸、强度及在约束笼中的布置；确定块材横截面面积；确定约束笼的布置；确定块材混凝土的强度参数；确定块材混凝土的横截面面积；所述块材混凝土是预制混凝土与块材形成的混合物，或预制混凝土与预约束块材形成的混合物；确定柱钢筋与钢连接件型号、分布，确定柱钢筋与钢连接件的强度参数；
14、步骤2，可按照下式进行验算：
15、n≤nc
16、nc＝f′ca+f′aaaw
17、
18、式中：n——预制预约束块材柱轴力设计值；
19、nc——预制预约束块材柱轴向承载力设计值；
20、f′c——块材混凝土抗压强度设计值；
21、fc1——块材抗压强度设计值；
22、fc2——预制混凝土抗压强度设计值；
23、f′a——钢连接件抗压强度设计值；
24、a——预制预约束块材柱横截面面积；
25、ac1——块材横截面面积；
26、ac2——预制混凝土横截面面积；
27、aaw——通长的钢连接件全截面面积，当钢连接件非通长时，取0；
28、α1——强度折减系数，考虑块材界面、混凝土强度等因素确定，取0.3～1.0；
29、公式中的强度参数按照现有国家标准取值或通过实验取值，几何参数按照实际尺寸或名义尺寸取值，重复步骤1～步骤2，将柱轴压承载力与结构依据实际工况荷载计算所得的最大轴压力进行对比，大于最大轴压力即可。
30、优选的，这种预制预约束块材柱组合连接体系施工方法，施工步骤如下：
31、步骤一、制作预约束块材柱；
32、步骤a、准备柱钢筋、约束筋、块材的原材料、预制混凝土的原材料；按照设计要求，把预制混凝土的原材料搅拌为一体，形成预制混凝土；加工柱钢筋至预定长度和形状；
33、步骤b、加工约束筋至预定长度和形状，加工为约束笼；把块材原料分割为预定大小的块材；去除块材表面浮尘，并按粒径对块材进行分类；把块材放入约束笼，形成预约束块材；
34、步骤c、绑扎为柱钢筋笼；
35、步骤d、把柱钢筋笼放置在模台上；
36、步骤e、把预约束块材放置在柱钢筋笼中；
37、步骤f、支设柱侧向模板，铺设钢连接件、灌浆套筒或钢连接件；
38、步骤g、浇筑预制混凝土进入柱模板，使预约束块材、柱钢筋和预制混凝土混合为整体，预制混凝土包裹柱钢筋笼，柱纵向钢筋按照设计要求伸出预制混凝土；
39、步骤h，养护预制混凝土到预定强度，使块材、约束笼、预制混凝土和柱钢筋笼形成整体。
40、步骤二，现场吊装上预制预约束块材柱，移动就位至已经施工好的下方柱上方，柱钢筋和钢连接件对齐并就位，安装斜向临时支撑，调整相应的高度、水平位置、垂直度，固定斜向临时支撑，把钢筋搭接或冷挤压套筒连接，钢连接件焊接或者栓接。
41、步骤三，支模并浇筑连接区域的现浇混凝土。
42、步骤四，养护现浇混凝土至预定强度，拆除模板。
43、与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果。
44、1、通过约束笼的设置以及降低块材的接触面积，使得混凝土有效填充块材之间空隙，有效减少质量缺陷，提升施工质量，实现结构安全。
45、2、通过预制柱内放置块材，减少水泥的用量，减少砂、石用量，施工过程中减低大体积柱的水化热，节能减排。
46、3、通过柱内约束笼对其中的块材和混凝土进行约束，形成有约束块材混凝土，提高块材与混凝土结合的强度和延性，实现预制预约束块材柱的力学性能。
1.一种预制预约束块材柱组合连接体系，其特征在于：所述预制预约束块材柱组合连接体系包括上下连接的预制预约束块材柱(a)和现浇混凝土(13)；所述预制预约束块材柱包括预约束块材(9)、预制混凝土(3)、钢连接件(10)和柱钢筋(5)；所述柱钢筋(5)包括柱纵向钢筋(5.1)和柱横向钢筋(5.2)；所述柱纵向钢筋(5.1)伸出预制混凝土(3)；所述钢连接件(10)伸出预制混凝土(3)；所述下预制预约束块材柱(a)的钢连接件(10)与上预制预约束块材柱(a)的钢连接件(10)固定连接；下预制预约束块材柱(a)的柱纵向钢筋(5.1)与上预制预约束块材柱(a)的柱纵向钢筋(5.1)搭接或套筒连接；连接区域浇筑有现浇混凝土(13)；所述连接区域无预约束块材(9)。
2.根据权利要求1所述的预制预约束块材柱组合连接体系，其特征在于：所述预约束块材(9)包括块材(1)和约束笼(2)；所述约束笼(2)包括笼架(2.1)和约束笼孔洞(2.2)；所述块材(1)内置在约束笼(2)；所述柱横向钢筋(5.2)沿着柱纵向钢筋(5.1)间隔布置，形成柱钢筋笼(6)；所述预约束块材(9)被柱钢筋笼(6)包围；所述钢连接件(10)被柱钢筋笼(6)包围；所述钢连接件(10)和预约束块材(9)、柱钢筋笼(6)之间有间隙；所述预制混凝土(3)填充预约束块材(9)内的间隙；所述预制混凝土(3)包裹柱钢筋笼(6)；所述预制混凝土(3)填充预约束块材(9)、钢连接件(10)和柱钢筋笼(6)相互之间的间隙；所述约束笼孔洞(2.2)处有预制混凝土(3)，使约束笼(2)内的预制混凝土(3)和约束笼(2)外的预制混凝土(3)连接为一体。
3.根据权利要求2所述的预制预约束块材柱组合连接体系，其特征在于：所述约束笼(2)在底端封闭或两端封闭；所述约束笼孔洞(2.2)的尺寸小于该处块材(1)的尺寸；所述笼架(2.1)包括侧壁架(2.1.1)和端部封闭件(2.1.2)；所述端部封闭件(2.1.2)为侧壁架(2.1.1)延伸形成或为专用的端部封闭件(2.1.2)；所述专用的端部封闭件(2.1.2)与所述侧壁架(2.1.1)连接为一体；所述块材(1)距离预制混凝土(3)的端部有一定距离；所述钢连接件(10)为型钢或者钢构件。
4.根据权利要求2所述的预制预约束块材柱组合连接体系，其特征在于：所述约束笼(2)为约束筋笼或网格笼；所述约束筋笼的笼架(2.1)由约束筋(4)组成；所述约束筋(4)为钢筋或钢丝或frp筋；所述网格笼的笼架(2.1)由金属网或带孔洞的钢板组成。
5.根据权利要求2所述的预制预约束块材柱组合连接体系，其特征在于：所述笼架(2.1)有多个子空间；所述子空间相互独立，内放置有块材(1)。
6.根据权利要求1所述的预制预约束块材柱组合连接体系，其特征在于：所述预制预约束块材柱有一个或多个空箍区；所述空箍区内无柱横向钢筋(5.2)；所述预约束块材(9)位于柱空箍区，被预制混凝土(3)填充。
7.根据权利要求1所述的预制预约束块材柱组合连接体系，其特征在于：所述钢连接件(10)包括有钢连接件腹板(10.1)和钢连接件翼缘(10.2)，钢连接件腹板(10.1)和钢连接件翼缘(10.2)固定连接；所述钢连接件(10)上有抗剪件(11)；所述抗剪件(11)沿着钢连接件(10)间隔设置，且与钢连接件(10)固定连接；预约束块材(9)被钢连接件腹板(10.1)和钢连接件翼缘(10.2)包围或被钢连接件腹板(10.1)、钢连接件翼缘(10.2)和柱钢筋笼(6)包围。
8.根据权利要求7所述的预制预约束块材柱组合连接体系，其特征在于：所述钢连接件(10)设置翼缘约束件(12)；所述翼缘约束件(12)沿着钢连接件翼缘(10.2)端部间隔布置，两端分别与相邻的钢连接件翼缘(10.2)固定连接；预约束块材(9)被钢连接件腹板(10.1)、钢连接件翼缘(10.2)和翼缘约束件(12)包围。
9.根据权利要求1所述的预制预约束块材柱组合连接体系，其特征在于：所述预制预约束块材柱(a)与梁(b)固定连接；所述梁(b)为钢筋混凝土梁或钢骨混凝土梁；所述钢筋混凝土梁包括梁纵向钢筋、梁横向钢筋和混凝土；所述钢筋混凝土梁的纵向钢筋插入上下连接的预制预约束块材柱(a)连接区域，位于柱纵向钢筋(5.1)和钢连接件(10)之间的间隙，被现浇混凝土(13)包裹；所述钢骨混凝土梁包括梁纵向钢筋、梁横向钢筋、梁钢骨和混凝土；所述钢骨混凝土梁的纵向钢筋插入上下连接的预制预约束块材柱(a)连接区域，位于柱纵向钢筋(5.1)之间的间隙，梁钢骨与预制预约束块材柱(a)中预埋件或钢连接件(10)连接，梁纵向钢筋和梁钢骨在柱梁节点区域被现浇混凝土(13)包裹。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的一种预制预约束块材柱组合连接体系的轴压承载力验算方法，其特征在于，具体步骤如下：
11.一种预制预约束块材柱组合连接体系施工方法，其特征在于，施工步骤如下：
