Excel VBA在地铁站主体结构受弯构件裂缝控制配筋计算中的应用

毛景远

（清远市清城区应急救援指挥中心，广东 清远 511500）

0 引言

地铁因具备运行速度快、出行安全、节省地上空间资源等特点，已成为衡量城市基础设施发展程度的一项重要指标。大量数据显示，目前地铁建设已成为我国城市基础交通设施中最有前景和市场的产业之一[1]。地铁工程建设往往具有投资巨大、工作量大、时间跨度长、工期紧张等特点。因此，提高地铁工程建设效率，降低地铁工程造价一直是备受工程投资方关注的问题。其中工程设计流程以及设计费用作为控制工程建设效率与工程造价的重要指标之一，如何提高地铁车站主体结构设计效率、缩短设计周期、降低设计成本是值得研究的问题。

VBA（Visual Basic for Application）作为Visual Basic的一种宏语言，是在其桌面应用程序中执行通用的自动化任务的一种编程语言，可用于扩展Windows应用程序的功能[2]。其中，Excel VBA是内嵌于Microsoft office软件中的一个程序自主开发模块，可用于扩展Excel的自动计算、表格数据输入与输出、图形绘制等一系列功能，使Excel满足更多实际工程的计算需求。大量工程实践证明，借助Excel VBA编写程序可以有效辅助Excel解决大部分工程计算问题，且能提高工作效率，降低人力成本，具有较大工程意义[3-6]。

在地铁站主体结构设计过程中，为保证裂缝满足要求，通常不会直接使用有限元软件进行受弯构件的配筋计算。一般仅仅使用有限元软件对地铁主体结构进行受力分析，并通过读取有限元软件内力计算的结果，再手动将内力信息逐个输入理正结构工具箱等软件进行裂缝控制配筋，这种方法计算效率低，且花费的时间与人力成本较高[7]。因此，本文尝试利用Excel VBA编写裂缝控制配筋自动计算程序，并配合提取Midas gen有限元分析软件的内力分析计算结果，对地铁站主体结构受弯构件进行裂缝控制配筋可视化批量计算，一定程度上减少不必要的重复配筋工作，提高工作效率。

1 有限元模型的建立

1.1 工程概况

以广州某地铁站为例，车站主体结构为地下三层现浇混凝土结构，由顶板、中板、底板以及中柱形成闭合框架，其中车站公共区域为无柱段结构区域，而设备区域则为有柱段箱型框架结构区域。车站主体结构全长约280m，标准段宽为21.7m，埋深为24.05～26.89m。为简化计算流程，以便分析研究，本文选取公共区域无柱段结构作为研究对象进行配筋计算，此部分区域顶板覆土厚度约4.55m，底板埋深26.57m，总宽度为21.7m,总高度为22.02m，总长度约11.38m。无柱段结构断面示意如图1所示。

图1 无柱段结构断面示意图

1.2 无柱段断面简化有限元模型

本车站主体结构公共区无柱段区域沿纵轴方向横截面的大小和形状变化不大，可近似忽略，且结构所受的外力平行于横截面，沿长度方向近似不变。因此，对于公共区域无柱段结构的受力情况，可简化为平面应变问题进行受力分析。取1延米公共区域无柱段结构，借助Midas gen有限元分析软件建立“荷载-结构”简化力学有限元模型[8]。有限元模型如图2所示。

图2 “荷载-结构”简化力学有限元模型

1.3 荷载及地质参数

在地铁车站主体结构设计过程中，为考虑施工和使用年限内可能发生的荷载变化，需综合考虑结构在长期和短期内所可能承受的荷载[9]。因此，车站主体结构承受的恒载主要为结构自重、土压力、水压力及浮力、设备荷载，活荷载主要为地面超载、人群荷载。此外，根据本工程提供的地质勘察报告及相关的图纸资料，可知车站主体结构底板主要位于中风化泥质粉砂岩，对应的基床系数竖向Kv为230MPa/m，水平向Kh为200MPa/m，静止侧压力系数K0近似取0.50，土的重度近似取20kN/m3，地面超载按20kPa考虑，其余荷载则根据文献[9]和文献[10]推荐的参数进行选取。车站主体结构荷载示意如图3所示。

图3 车站主体结构荷载示意图

2 程序设计与计算分析

根据《铁路隧道设计规范》（TB10003-2016）和《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）要求，地铁车站主体结构裂缝最大宽度应控制在迎水面不大于0.2mm，背水面不大于0.3mm[10-11]。因此，根据车站结构裂缝最大宽度的控制要求，并结合Midas gen分析结果，可编写Excel VBA程序进行裂缝控制配筋，程序设计流程如图4所示。

图4 程序设计流程图

由图4可知，本程序设计的主要思路为：

（1）批量读取Midas gen有限元分析软件对车站主体结构在正常使用状态下的内力准永久值以及承载能力极限状态下的内力设计值计算结果；

（2）在Excel表格中批量输入内力值以及对应的配筋经验值；

（3）批量计算对应的配筋下的结构裂缝宽度，如不符合裂缝宽度控制要求（迎水面≤0.2mm，背水面≤0.3mm），则返回输入界面重新输入配筋；

（4）输出满足裂缝宽度控制的配筋结果，并结束计算。部分重要代码如图5所示。

图5 部分重要代码图

3 结果输出

在结构设计过程中，应甲方要求或现场施工的需要，对结构设计图进行变更是十分普遍的现象。而这种设计变更，往往需要结构设计师们进行一系列重复而繁琐的计算过程。因此，可利用Excel VBA程序能自动执行任务以及Excel表格易于修改与保存等功能，将内力、配筋、裂缝等输入与输出信息设计在Excel表格中进行可视化批量操作，既能加快配筋效率，也有利于后期修改。Excel表格可视化计算界面如图6所示，其中图中示例仅给出了受弯构件配筋计算的部分输入参数以及对应输出的计算结果。

图6 Excel表格可视化计算界面图

本次计算通过在Midas gen有限元分析软件中读取车站主体结构无柱段区域结构顶板跨中截面各工况内力计算结果，批量输入至Excel表格中，利用Excel VBA辅助计算，对由顶板跨中截面控制的底部受弯构件进行裂缝控制配筋计算。由图6可以看出，车站主体结构顶板跨中截面的最不利工况为满水满荷载工况，跨中截面底部受弯构件在配32@150+32@150（一排附加钢筋，即附加钢筋区域为32@75）（HRB400）时，裂缝宽度为0.248mm，满足设计要求。

4 结束语

在Excel中使用VBA程序，可以一定程度上扩展Excel的使用功能，让其能根据不同学科或工程的特点作出适应性的改变，从而满足各类计算需要。

本文以广州某地下三层地铁站主体结构的公共区无柱段区域作为研究对象，通过编写Excel VBA代码，配合Midas gen有限元分析软件的内力分析结构，进一步扩展Excel的应用，实现地铁车站主体结构受弯构件裂缝控制配筋的可视化批量计算，有效简化传统繁琐复杂的手动配筋过程，大大节省了结构设计人力成本，提高了设计效率，对缩短项目设计周期以及降低工程造价具有重要的工程意义。