本本发明属于结构领域，特别涉及一种预约束块材箱型构件及验算方法和施工方法。
背景技术：
1、在建设工程中，箱型构件是建筑结构和桥梁的重要组成部分。箱型构件经常采用钢筋混凝土箱型构件，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。如何在箱型构件中减少水泥、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箱型构件及验算方法和施工方法，解决了箱型构件中使用过多水泥、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。本发明通过箱型构件内置预约束块材，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，实现箱型构件的力学性能。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、一种预约束块材箱型构件，由横板和腹板组成；横板包括上横板和下横板；腹板包括左腹板和右腹板；横板和腹板围成箱型；横板和/或腹板包括板钢筋、聚合物和预约束块材；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；预约束块材放置在板钢筋之间；聚合物包裹板钢筋和预约束块材。
4、优选的，横板包括横板钢筋、预约束块材和聚合物；横板钢筋包括横板横向钢筋和横板纵向钢筋，横板横向钢筋和横板纵向钢筋组成横板钢筋网或横板钢筋笼，横板的预约束块材位于横板钢筋网之间；腹板包括腹板钢筋，预约束块材和聚合物；腹板钢筋包括腹板横向钢筋和腹板纵向钢筋，腹板横向钢筋和腹板纵向钢筋组成腹板钢筋网或腹板钢筋笼，腹板的预约束块材位于腹板钢筋网之间；横板和腹板连接节点区域为聚合物，无预约束块材；板钢筋包括预应力钢筋和非预应力钢筋，预应力钢筋沿着板纵向布置。
5、优选的，聚合物填充预约束块材内的间隙；聚合物填充预约束块材和板钢筋之间的间隙；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；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；块材包括石块、钢筋混凝土块或混凝土块、或水泥砂浆块；聚合物为高流动混凝土；块材距离聚合物的端部有一定距离；笼架为钢材组成，钢材强度不低于300mpa；块材和约束笼的体积比为5％～85％；块材和聚合物的体积比为5％～300％；笼架与约束笼体积比为0.02％～3％。
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；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的端部封闭件；独立的端部封闭件与竖向筋或斜向筋固定连接。
7、优选的，约束笼为两端封闭；纵向筋在约束笼下部的分布间距小于约束笼上部的分布间距；纵向筋与横向筋形成的网格尺寸小于该网格处放置块材的尺寸，约束在约束笼内的块材，防止块材脱落。
8、优选的，笼架有多个子空间；子空间相互独立，内放置有块材。
9、优选的，预约束块材位于板的中部区域，距离板表面的距离不小于板厚度的10％。
10、优选的，横板横向钢筋是封闭的，与横板纵向钢筋形成横板钢筋笼；腹板横向钢筋是封闭的，与腹板纵向钢筋形成腹板钢筋笼。
11、优选的，腹板横向钢筋和横板横向钢筋在节点区域连接，连接方式为搭接、锚固或焊接；腹板和/或横板的纵向钢筋在节点区域间隔布置；节点区域无预约束块材，节点区域浇筑聚合物。
12、优选的，这种预约束块材箱型构件的抗剪承载力验算方法，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；确定约束笼的布置；确定聚合物强度参数；确定预约束块材箱型构件a的横截面面积，确定块材横截面面积；确定腹板和横板钢筋的间距、横截面尺寸、强度参数。
14、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：
15、受剪截面应符合下列条件：
16、当hw/b≤4时
17、v≤0.30ηβcfcb/h0
18、当hw/b≥6时
19、v≤0.25ηβcfcb/h0
20、当4＜hw/b＜6时，按线性内插法确定。
21、式中：v——预约束块材箱型构件斜截面上的最大剪力设计值；
22、η——预约束块材箱型构件抗剪承载力影响系数，η取0.5～1.0；
23、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；
24、b——腹板宽度；
25、h0——腹板截面的有效高度，取腹板净高。
26、v≤vcs
27、
28、式中：v——预约束块材箱型构件的剪力设计值；
29、vcs——预约束块材箱型构件的受剪承载力设计值；
30、η——预约束块材箱型构件块材抗剪承载力影响系数，η取0.5～1.0；
31、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α/h0，当λ小于1.5时，取1.5，当λ大于3时，取3，α取集中荷载作用点至支座截面或节点边缘的距离；
32、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；
33、s——沿构件长度方向的箍筋间距；
34、fyv——箍筋的抗拉强度设计值；
35、ft——块材聚合物的抗拉强度设计值；
36、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，预约束块材箱型构件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。
37、优选的，这种预约束块材箱型构件的施工方法，施工步骤如下：
38、步骤一、准备板钢筋、约束筋、块材的原材料、聚合物的原材料；按照设计要求，把聚合物原材料搅拌为一体，形成聚合物；
39、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；
40、步骤三、支设下横板模板；
41、步骤四、加工下横板钢筋至预定长度和形状，绑扎为下横板底部的钢筋；
42、步骤五、把预约束块材放置在下横板的底部钢筋网之上；
43、步骤六、绑扎下横板顶部的钢筋，绑扎与下横板连接的腹板横向钢筋；
44、步骤七、绑扎腹板的横向钢筋和纵向钢筋；
45、步骤八，支设腹板的模板，支设上横板模板；
46、步骤九，放置腹板的预约束块材进入腹板的钢筋之间；
47、步骤十，绑扎上横板底层钢筋；
48、步骤十一，放置上横板的预约束块材在上横板的底层钢筋之上；
49、步骤十二，绑扎上横板的顶层钢筋；
50、步骤十三，浇筑聚合物进入下横板模板、腹板模板和上横板模板，使预约束块材、板钢筋和聚合物混合为整体，聚合物包裹下横板、腹板和上横板的板钢筋；
51、步骤十四，养护聚合物到预定强度，使预约束块材、聚合物与下横板、腹板和上横板的板钢筋形成整体。
52、与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果。
53、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。
54、2、通过箱型构件内放置块材，减少水泥的用量，减少砂、石用量，施工过程中减低大体积箱型构件的水化热，节能减排。
55、3、通过箱型构件内约束笼对其中的块材和聚合物进行约束，形成预约束块材聚合物，提高块材与聚合物结合的强度和延性，实现预约束块材箱型构件的力学性能。
56、4、预约束块材可全部或部分进行预加工，施工效率高。
1.一种预约束块材箱型构件，其特征在于：所述预约束块材箱型构件由横板(a)和腹板(b)组成；所述横板(a)包括上横板(a1)和下横板(a2)；所述腹板(b)包括左腹板(b1)和右腹板(b2)；所述横板(a)和腹板(b)围成箱型；所述横板(a)和/或腹板(b)包括板钢筋(5)、聚合物(3)和预约束块材(9)；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)；所述预约束块材(9)放置在板钢筋(5)之间；所述聚合物(3)包裹板钢筋(5)和预约束块材(9)。
2.根据权利要求1所述的预约束块材箱型构件，其特征在于：所述横板(a)包括横板钢筋(5a)、预约束块材(9)和聚合物(3)；所述横板钢筋(5a)包括横板横向钢筋(5a.1)和横板纵向钢筋(5a.2)，横板横向钢筋(5a.1)和横板纵向钢筋(5a.2)组成横板钢筋网或横板钢筋笼，所述横板(a)的预约束块材(9)位于横板钢筋网之间；所述腹板(b)包括腹板钢筋(5b)，预约束块材(9)和聚合物(3)；所述腹板钢筋(5b)包括腹板横向钢筋(5b.1)和腹板纵向钢筋(5b.2)，腹板横向钢筋(5b.1)和腹板纵向钢筋(5b.2)组成腹板钢筋网或腹板钢筋笼，所述腹板(b)的预约束块材(9)位于腹板钢筋网之间；所述横板(a)和腹板(b)连接节点区域为聚合物(3)，无预约束块材(9)；所述板钢筋(5)包括预应力钢筋和非预应力钢筋，预应力钢筋沿着板纵向布置。
3.根据权利要求1所述的预约束块材箱型构件，其特征在于：所述聚合物(3)填充预约束块材(9)内的间隙；聚合物(3)填充预约束块材(9)和板钢筋(5)之间的间隙；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。
4.根据权利要求3所述的预约束块材箱型构件，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；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(2.1.2)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的端部封闭件(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4所述的预约束块材箱型构件，其特征在于：所述约束笼(2)为两端封闭；所述纵向筋(4.1)在约束笼(2)下部的分布间距小于约束笼(2)上部的分布间距；所述纵向筋(4.1)与横向筋(4.2)形成的网格尺寸小于该网格处放置块材的尺寸。
6.根据权利要求1所述的预约束块材箱型构件，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)。
7.根据权利要求1所述的预约束块材箱型构件，其特征在于：所述预约束块材(9)位于板的中部区域，距离板表面的距离不小于板厚度的10％。
8.根据权利要求2所述的预约束块材箱型构件，其特征在于；所述横板横向钢筋(5a.1)是封闭的，与横板纵向钢筋(5a.2)形成横板钢筋笼；所述腹板横向钢筋(5b.1)是封闭的，与腹板纵向钢筋(5b.2)形成腹板钢筋笼。
9.根据权利要求2所述的预约束块材箱型构件，其特征在于：腹板横向钢筋(5b.1)和横板横向钢筋(5a.1)在节点区域连接，连接方式为搭接、锚固或焊接；所述腹板(b)和/或横板(a)的纵向钢筋在节点区域间隔布置；所述节点区域无预约束块材(9)。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述预约束块材箱型构件的抗剪承载力验算方法，其特征在于，具体步骤如下：
11.根据权利要求1-9中任意一项所述预约束块材箱型构件的施工方法，其特征在于，施工步骤如下：
