本发明属于结构柱领域，特别涉及一种预约束块材钢骨柱及其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。结构柱是建筑结构和桥梁的重要组成部分，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。结构柱经常采用钢骨混凝土柱，为混凝土、钢筋与钢骨组成。这需要用到大量的石、砂、水泥材料。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。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、为了解决上述问题，本发明提供了一种预约束块材钢骨柱及其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，解决了结构柱中使用过多水泥、小粒径砂、石的问题，并解决了块材与钢筋与聚合物协同受力的问题。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聚合物的连接和受力，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、一种预约束块材钢骨柱，预约束块材钢骨柱包括预约束块材、聚合物、柱钢筋和柱钢骨；预约束块材包括块材和约束笼；块材内置在约束笼中；约束笼包括笼架和约束笼孔洞；柱钢筋包括柱纵向钢筋和柱横向钢筋；柱横向钢筋沿着柱纵向钢筋间隔布置，形成柱钢筋笼；预约束块材和柱钢骨被柱钢筋笼包围；聚合物填充预约束块材内的间隙；聚合物包裹柱钢筋笼，并填充预约束块材、柱钢筋笼和柱钢骨之间的间隙。
4、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独立的端部封闭件；独立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，使得约束笼内的聚合物和约束笼外的聚合物连接为一体；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。
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，约束筋笼的约束筋包括竖向筋、横向筋和/或斜向筋；约束筋笼的端部封闭件由竖向筋或斜向筋在端部固定连接或弯折形成或为独立端部封闭件；独立的端部封闭件与竖向筋或斜向筋固定连接。
7、优选的，柱钢骨包括有柱钢骨腹板和柱钢骨翼缘，柱钢骨腹板和柱钢骨翼缘固定连接；柱钢骨上有抗剪件；抗剪件沿着柱钢骨间隔设置，且与柱钢骨固定连接；预约束块材被柱钢骨腹板和柱钢骨翼缘包围或被柱钢骨腹板、柱钢骨翼缘和柱钢筋笼包围。
8、优选的，柱钢骨设置翼缘约束件；翼缘约束件沿着柱钢骨翼缘端部间隔布置，两端分别与相邻的柱钢骨翼缘固定连接；预约束块材被柱钢骨腹板、柱钢骨翼缘和翼缘约束件包围。
9、优选的，预约束块材布置在柱钢骨外侧与柱钢筋笼之间，被柱钢筋笼包围。
10、一种预约束块材钢骨柱体系，包括有预约束块材钢骨柱和梁；预约束块材钢骨柱与梁固定连接，形成柱梁节点区；柱梁节点区无预约束块材；梁包括钢梁、钢骨混凝土梁和钢筋混凝土梁。
11、一种预约束块材钢骨柱的轴压承载力验算方法，具体步骤如下：
12、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；确定块材聚合物的强度参数；确定块材聚合物的横截面面积；块材聚合物是聚合物与块材形成的混合物，或聚合物与预约束块材形成的混合物；确定柱钢筋与柱钢骨型号、分布，确定柱钢筋与柱钢骨的强度参数；
13、步骤2，可按照下式进行验算：
14、n≤nc
15、nc＝f′ca+f’aaaw
16、
17、式中：n——预约束块材钢骨柱轴力设计值；
18、nc——预约束块材钢骨柱轴向承载力设计值；
19、f′c——块材聚合物抗压强度设计值；
20、fc1——块材抗压强度设计值；
21、fc2——聚合物抗压强度设计值；
22、f’a——柱钢骨抗压强度设计值；
23、a——预约束块材柱横截面面积；
24、ac1——块材横截面面积；
25、ac2——聚合物横截面面积；
26、aaw——柱钢骨全截面面积；
27、α1——强度折减系数，考虑块材界面、聚合物强度等因素确定，取0.3～1.0；
28、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。
29、一种预约束块材钢骨柱的施工方法，施工步骤如下：
30、步骤一、准备柱钢筋、预先加工柱钢骨、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；加工柱钢筋至预定长度和形状；
31、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；
32、步骤三、吊装柱钢骨，现场就位、调平、调整垂直度之后，固定；
33、步骤四、绑扎柱钢筋笼；
34、步骤五、把预约束块材放置在柱钢筋笼中；
35、步骤六、支设柱模板；
36、步骤七、浇筑聚合物进入柱模板，使预约束块材、柱钢筋、柱钢骨和聚合物混合为整体，聚合物包裹柱钢筋笼、柱钢骨和预约束块材；
37、步骤八，养护聚合物到预定强度，使块材、聚合物、约束笼、柱钢筋和柱钢骨形成整体。
38、与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果。
39、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。
40、2、通过在钢骨混凝土柱内放置块材，减少水泥的用量，减少砂、石用量，施工过程中降低大体积柱的水化热，节能减排。
41、3、通过钢骨混凝土柱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，实现预约束块材钢骨柱的力学性能。
42、4、预约束块材可全部或部分进行预加工，施工效率高。
1.一种预约束块材钢骨柱，其特征在于：所述预约束块材钢骨柱包括预约束块材(9)、聚合物(3)、柱钢筋(5)和柱钢骨(10)；所述预约束块材(9)包括块材(1)和约束笼(2)；所述块材(1)内置在约束笼(2)中；所述约束笼(2)包括笼架(2.1)和约束笼孔洞(2.2)；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)和柱钢骨(10)被柱钢筋笼(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)包裹柱钢筋笼(6)，并填充预约束块材(9)、柱钢筋笼(6)和柱钢骨(10)之间的间隙。
2.根据权利要求1所述的预约束块材钢骨柱，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)与所述侧壁架(2.1.1)连接为一体；约束笼孔洞(2.2)处有聚合物(3)，使得约束笼(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。
3.根据权利要求1所述的预约束块材钢骨柱，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所述的预约束块材钢骨柱，其特征在于：所述约束筋笼的约束筋(4)包括竖向筋(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(4.4)由竖向筋(4.1)或斜向筋(4.3)在端部固定连接或弯折形成或为独立端部封闭件(2.1.2)；所述独立的端部封闭件(2.1.2)与竖向筋(4.1)或斜向筋(4.3)固定连接。
5.根据权利要求1所述的预约束块材柱，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所述的预约束块材钢骨柱，其特征在于：所述柱钢骨(10)包括有柱钢骨腹板(10.1)和柱钢骨翼缘(10.2)，柱钢骨腹板(10.1)和柱钢骨翼缘(10.2)固定连接；所述柱钢骨(10)上有抗剪件(12)；所述抗剪件(12)沿着柱钢骨(10)间隔设置，且与柱钢骨(10)固定连接；预约束块材(9)被柱钢骨腹板(10.1)和柱钢骨翼缘(10.2)包围或被柱钢骨腹板(10.1)、柱钢骨翼缘(10.2)和柱钢筋笼(6)包围。
7.根据权利要求6所述的预约束块材钢骨柱，其特征在于：所述柱钢骨(10)设置翼缘约束件(13)；所述翼缘约束件(13)沿着柱钢骨翼缘(10.2)端部间隔布置，两端分别与相邻的柱钢骨翼缘(10.2)固定连接；预约束块材(9)被柱钢骨腹板(10.1)、柱钢骨翼缘(10.2)和翼缘约束件(13)包围。
8.根据权利要求1所述的预约束块材钢骨柱，其特征在于：所述预约束块材(9)布置在柱钢骨(10)外侧与柱钢筋笼(6)之间，被柱钢筋笼(6)包围。
9.一种预约束块材钢骨柱体系，包括有权利要求1所述的预约束块材钢骨柱(a)和梁(b)；其特征在于：所述的预约束块材钢骨柱(a)与梁(b)固定连接，形成柱梁节点区；所述柱梁节点区无预约束块材(9)；所述梁(b)包括钢梁、钢骨混凝土梁和钢筋混凝土梁。
10.一种预约束块材钢骨柱的轴压承载力验算方法，其特征在于，具体步骤如下：
11.一种预约束块材钢骨柱的施工方法，其特征在于，施工步骤如下：
