本发明属于结构领域，特别涉及一种预约束块材梁及验算方法和施工方法。
背景技术：
1、在建设工程中，结构梁是建筑结构和桥梁的重要组成部分。结构梁经常采用钢筋混凝土梁，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。据测算，现全国每年仅建设用石量约为40多亿吨，是消耗自然资源最大的材料。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。如何在结构梁中减少水泥、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约束块材梁及验算方法和施工方法，解决了结构梁中使用过多水泥、小粒径砂、石的问题，并解决了块材与钢筋与聚合物协同受力的问题。本发明通过结构梁内置预约束块材，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聚合物的连接和受力，实现梁的力学性能。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、一种预约束块材梁，包括块材、约束笼、聚合物和梁钢筋；约束笼包括笼架和约束笼孔洞；块材内置在约束笼中，形成预约束块材；梁钢筋包括梁纵向钢筋和梁横向钢筋；梁横向钢筋沿着梁纵向钢筋间隔布置，形成梁钢筋笼；约束笼被梁钢筋笼包围；聚合物填充预约束块材内的间隙；聚合物包裹梁钢筋笼，并填充预约束块材和梁钢筋笼之间的间隙。
4、优选的，块材为石块、钢筋混凝土块、混凝土块或水泥砂浆块；聚合物为水泥浆、水泥砂浆或混凝土；约束笼在端部封闭；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；约束笼孔洞处有聚合物，使约束笼内的聚合物和约束笼外的聚合物连接为一体；预约束块材位于梁截面高度的中部区域。
5、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。
6、优选的，约束筋包括纵向筋、横向筋和/或斜向筋；约束筋笼的端部封闭件由纵向筋或斜向筋在端部固定连接或弯折形成或为独立的端部封闭件；独立的端部封闭件与纵向筋或斜向筋固定连接。
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，梁钢筋笼内部设有钢骨；钢骨为型钢或者钢构件；钢骨和预约束块材、梁钢筋笼之间有间隙；聚合物填充预约束块材、钢骨和梁钢筋笼相互之间的间隙。
9、优选的，梁横向钢筋包括封闭箍筋、横向拉筋和后封闭箍筋；后封闭箍筋为开口u形箍筋和后封闭筋组成；后封闭筋包括后封闭拉筋或后封闭u形箍筋；后封闭筋与开口u形箍筋对应设置。
10、优选的，一种预约束块材梁的抗剪承载力验算方法，具体步骤如下：
11、步骤1，确定块材几何尺寸、强度及在约束笼中的布置；确定约束笼的布置；确定块材聚合物的强度参数；确定预约束块材梁的横截面面积，确定块材横截面面积；确定梁箍筋的间距、横截面尺寸、强度参数；块材聚合物是聚合物与块材形成的混合物，或聚合物与块材和约束笼形成的混合物。
12、步骤2，可按照下式进行验算或按照现有设计规范进行详细计算：
13、矩形、t形和i形截面受弯构件的受剪截面应符合下列条件：
14、当hw/b≤4时
15、v≤0.30ηβcf′cb/h0
16、当hw/b≥6时
17、v≤0.25ηβcf′cb/h0
18、当4＜hw/b＜6时，按线性内插法确定。
19、式中：v——预约束块材梁斜截面上的最大剪力设计值；
20、η——预约束块材梁抗剪承载力影响系数，η取0.4～1.0；
21、βc——块材聚合物强度影响系数：当块材聚合物强度等级不超过c50时，βc取1.0；当块材聚合物强度等级超过c40时，βc取0.7～1.0；
22、f′c——块材聚合物的抗压强度设计值；
23、b——矩形截面的宽度，t形截面或i形截面的腹板宽度；
24、h0——截面的有效高度；
25、hw——截面的腹板高度：矩形截面，取有效高度；t形截面，取有效高度减去翼缘高度；i形截面，取腹板净高。
26、v≤vcs
27、
28、式中：v——预约束块材梁的剪力设计值；
29、vcs——预约束块材梁的受剪承载力设计值；
30、αcv——斜截面块材聚合物受剪承载力系数，对于一般受弯构件取0.5～0.8；对集中荷载作用下(包括作用有多种荷载，其中集中荷载对支座截面或节点边缘所产生的剪力值占总剪力的75％以上的情况)的独立梁，取αcv为λ为计算截面的剪跨比，可取λ等于a/h0，当λ小于1.5时，取1.5，当λ大于3时，取3，a取集中荷载作用点至支座截面或节点边缘的距离；
31、asv——配置在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积，即nasv1，此处，n为在同一个截面内箍筋的肢数，asv1为单肢箍筋的截面面积；
32、s——沿构件长度方向的箍筋间距；
33、fyv——箍筋的抗拉强度设计值；
34、f′t——块材聚合物的抗拉强度设计值；
35、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，预约束块材梁的内力和变形计算完毕，将抗剪承载力与结构依据实际工况荷载计算所得的最大剪力进行对比，大于最大剪力即可。
36、优选的，一种预约束块材梁的施工方法，施工步骤如下：
37、步骤一、准备梁钢筋、约束筋、块材的原材料、聚合物的原材料；按照设计要求，把聚合物的原材料搅拌为一体，形成聚合物；加工梁钢筋至预定长度和形状；
38、步骤二、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；
39、步骤三、支设梁模板；
40、步骤四、绑扎为梁钢筋笼；
41、步骤五、把预约束块材放置在梁钢筋笼中；
42、步骤六、浇筑聚合物进入梁模板，使预约束块材、梁钢筋和聚合物混合为整体，聚合物包裹梁钢筋笼；
43、步骤七，养护聚合物到预定强度，使预约束块材、聚合物和梁钢筋形成整体。
44、当梁横向钢筋包括封闭箍筋、横向拉筋和后封闭箍筋时，步骤四和步骤五修改如下：
45、步骤四、临时绑扎封闭箍筋、上端开口的下箍筋和梁纵向钢筋；在梁上部形成局部开口；
46、步骤五、把预约束块材梁沿着梁上部局部开口放置在梁钢筋笼中；调整梁上部纵向钢筋位置，布置后封闭箍筋；绑扎后封闭箍筋和梁上部纵向钢筋。
47、与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果。
48、1、通过约束笼的设置以及降低块材的接触面积，使得聚合物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。
49、2、通过梁内放置块材，减少水泥的用量，减少砂、石用量，施工过程中减低大体积梁的水化热，节能减排。
50、3、通过梁内约束笼对其中的块材和聚合物进行约束，形成有约束块材聚合物，提高块材与聚合物结合的强度和延性，实现预约束块材梁的力学性能。
51、4、预约束块材可全部或部分进行预加工，施工效率高。
1.一种预约束块材梁，其特征在于：所述预约束块材梁包括块材(1)、约束笼(2)、聚合物(3)和梁钢筋(5)；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)中，形成预约束块材(9)；所述梁钢筋(5)包括梁纵向钢筋(5.1)和梁横向钢筋(5.2)；所述梁横向钢筋(5.2)沿着梁纵向钢筋(5.1)间隔布置，形成梁钢筋笼(6)；所述约束笼(2)被梁钢筋笼(6)包围；所述聚合物(3)填充预约束块材(9)内的间隙；所述聚合物(3)包裹梁钢筋笼(6)，并填充预约束块材(9)和梁钢筋笼(6)之间的间隙。
2.根据权利要求1所述的预约束块材梁，其特征在于：所述块材(1)为石块、钢筋混凝土块、混凝土块或水泥砂浆块；所述聚合物(3)为水泥浆、水泥砂浆或混凝土；所述约束笼(2)在端部封闭；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；所述约束笼孔洞(2.2)处有聚合物(3)，使约束笼(2)内的聚合物(3)和约束笼(2)外的聚合物(3)连接为一体；所述预约束块材(9)位于梁截面高度的中部区域。
3.根据权利要求1所述的预约束块材梁，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。
4.根据权利要求3所述的预约束块材梁，其特征在于：所述约束筋(4)包括纵向筋(4.1)、横向筋(4.2)和/或斜向筋(4.3)；所述约束筋笼的端部封闭件(2.1.2)由纵向筋(4.1)或斜向筋(4.3)在端部固定连接或弯折形成或为独立的端部封闭件(2.1.2)；所述独立的端部封闭件(2.1.2)与纵向筋(4.1)或斜向筋(4.3)固定连接。
5.根据权利要求1所述的预约束块材梁，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所述的预约束块材梁，其特征在于：所述梁钢筋笼(6)内部设有钢骨(8)；所述钢骨(8)为型钢或者钢构件；所述钢骨(8)和预约束块材(9)、梁钢筋笼(6)之间有间隙；所述聚合物(3)填充预约束块材(9)、钢骨(8)和梁钢筋笼(6)相互之间的间隙。
7.根据权利要求1所述的预约束块材梁，其特征在于：所述梁横向钢筋(5.2)包括封闭箍筋(5.2.1)、横向拉筋(5.2.2)和后封闭箍筋(5.2.3)；所述后封闭箍筋(5.2.3)为开口u形箍筋(5.2.4)和后封闭筋(5.2.5)组成；所述后封闭筋(5.2.5)包括后封闭拉筋或后封闭u形箍筋；所述后封闭筋(5.2.5)与开口u形箍筋(5.2.4)对应设置。
8.根据权利要求1至7任意一项所述预约束块材梁的抗剪承载力验算方法，其特征在于，具体步骤如下：
9.一种预约束块材梁的施工方法，其特征在于，施工步骤如下：
