Excel VBA在地鐵站主體結構受彎構件裂縫控制配筋計算中的應用

毛景遠

（清遠市清城區應急救援指揮中心，廣東 清遠 511500）

0 引言

地鐵因具備運行速度快、出行安全、節省地上空間資源等特點，已成為衡量城市基礎設施發展程度的一項重要指標。大量數據顯示，目前地鐵建設已成為我國城市基礎交通設施中最有前景和市場的產業之一[1]。地鐵工程建設往往具有投資巨大、工作量大、時間跨度長、工期緊張等特點。因此，提高地鐵工程建設效率，降低地鐵工程造價一直是備受工程投資方關注的問題。其中工程設計流程以及設計費用作為控制工程建設效率與工程造價的重要指標之一，如何提高地鐵車站主體結構設計效率、縮短設計周期、降低設計成本是值得研究的問題。

VBA（Visual Basic for Application）作為Visual Basic的一種宏語言，是在其桌面應用程序中執行通用的自動化任務的一種編程語言，可用于擴展Windows應用程序的功能[2]。其中，Excel VBA是內嵌于Microsoft office軟件中的一個程序自主開發模塊，可用于擴展Excel的自動計算、表格數據輸入與輸出、圖形繪制等一系列功能，使Excel滿足更多實際工程的計算需求。大量工程實踐證明，借助Excel VBA編寫程序可以有效輔助Excel解決大部分工程計算問題，且能提高工作效率，降低人力成本，具有較大工程意義[3-6]。

在地鐵站主體結構設計過程中，為保證裂縫滿足要求，通常不會直接使用有限元軟件進行受彎構件的配筋計算。一般僅僅使用有限元軟件對地鐵主體結構進行受力分析，并通過讀取有限元軟件內力計算的結果，再手動將內力信息逐個輸入理正結構工具箱等軟件進行裂縫控制配筋，這種方法計算效率低，且花費的時間與人力成本較高[7]。因此，本文嘗試利用Excel VBA編寫裂縫控制配筋自動計算程序，并配合提取Midas gen有限元分析軟件的內力分析計算結果，對地鐵站主體結構受彎構件進行裂縫控制配筋可視化批量計算，一定程度上減少不必要的重復配筋工作，提高工作效率。

1 有限元模型的建立

1.1 工程概況

以廣州某地鐵站為例，車站主體結構為地下三層現澆混凝土結構，由頂板、中板、底板以及中柱形成閉合框架，其中車站公共區域為無柱段結構區域，而設備區域則為有柱段箱型框架結構區域。車站主體結構全長約280m，標準段寬為21.7m，埋深為24.05～26.89m。為簡化計算流程，以便分析研究，本文選取公共區域無柱段結構作為研究對象進行配筋計算，此部分區域頂板覆土厚度約4.55m，底板埋深26.57m，總寬度為21.7m,總高度為22.02m，總長度約11.38m。無柱段結構斷面示意如圖1所示。

圖1 無柱段結構斷面示意圖

1.2 無柱段斷面簡化有限元模型

本車站主體結構公共區無柱段區域沿縱軸方向橫截面的大小和形狀變化不大，可近似忽略，且結構所受的外力平行于橫截面，沿長度方向近似不變。因此，對于公共區域無柱段結構的受力情況，可簡化為平面應變問題進行受力分析。取1延米公共區域無柱段結構，借助Midas gen有限元分析軟件建立“荷載-結構”簡化力學有限元模型[8]。有限元模型如圖2所示。

圖2 “荷載-結構”簡化力學有限元模型

1.3 荷載及地質參數

在地鐵車站主體結構設計過程中，為考慮施工和使用年限內可能發生的荷載變化，需綜合考慮結構在長期和短期內所可能承受的荷載[9]。因此，車站主體結構承受的恒載主要為結構自重、土壓力、水壓力及浮力、設備荷載，活荷載主要為地面超載、人群荷載。此外，根據本工程提供的地質勘察報告及相關的圖紙資料，可知車站主體結構底板主要位于中風化泥質粉砂巖，對應的基床系數豎向Kv為230MPa/m，水平向Kh為200MPa/m，靜止側壓力系數K0近似取0.50，土的重度近似取20kN/m3，地面超載按20kPa考慮，其余荷載則根據文獻[9]和文獻[10]推薦的參數進行選取。車站主體結構荷載示意如圖3所示。

圖3 車站主體結構荷載示意圖

2 程序設計與計算分析

根據《鐵路隧道設計規范》（TB10003-2016）和《混凝土結構設計規范》（GB50010-2010）要求，地鐵車站主體結構裂縫最大寬度應控制在迎水面不大于0.2mm，背水面不大于0.3mm[10-11]。因此，根據車站結構裂縫最大寬度的控制要求，并結合Midas gen分析結果，可編寫Excel VBA程序進行裂縫控制配筋，程序設計流程如圖4所示。

圖4 程序設計流程圖

由圖4可知，本程序設計的主要思路為：

（1）批量讀取Midas gen有限元分析軟件對車站主體結構在正常使用狀態下的內力準永久值以及承載能力極限狀態下的內力設計值計算結果；

（2）在Excel表格中批量輸入內力值以及對應的配筋經驗值；

（3）批量計算對應的配筋下的結構裂縫寬度，如不符合裂縫寬度控制要求（迎水面≤0.2mm，背水面≤0.3mm），則返回輸入界面重新輸入配筋；

（4）輸出滿足裂縫寬度控制的配筋結果，并結束計算。部分重要代碼如圖5所示。

圖5 部分重要代碼圖

3 結果輸出

在結構設計過程中，應甲方要求或現場施工的需要，對結構設計圖進行變更是十分普遍的現象。而這種設計變更，往往需要結構設計師們進行一系列重復而繁瑣的計算過程。因此，可利用Excel VBA程序能自動執行任務以及Excel表格易于修改與保存等功能，將內力、配筋、裂縫等輸入與輸出信息設計在Excel表格中進行可視化批量操作，既能加快配筋效率，也有利于后期修改。Excel表格可視化計算界面如圖6所示，其中圖中示例僅給出了受彎構件配筋計算的部分輸入參數以及對應輸出的計算結果。

圖6 Excel表格可視化計算界面圖

本次計算通過在Midas gen有限元分析軟件中讀取車站主體結構無柱段區域結構頂板跨中截面各工況內力計算結果，批量輸入至Excel表格中，利用Excel VBA輔助計算，對由頂板跨中截面控制的底部受彎構件進行裂縫控制配筋計算。由圖6可以看出，車站主體結構頂板跨中截面的最不利工況為滿水滿荷載工況，跨中截面底部受彎構件在配32@150+32@150（一排附加鋼筋，即附加鋼筋區域為32@75）（HRB400）時，裂縫寬度為0.248mm，滿足設計要求。

4 結束語

在Excel中使用VBA程序，可以一定程度上擴展Excel的使用功能，讓其能根據不同學科或工程的特點作出適應性的改變，從而滿足各類計算需要。

本文以廣州某地下三層地鐵站主體結構的公共區無柱段區域作為研究對象，通過編寫Excel VBA代碼，配合Midas gen有限元分析軟件的內力分析結構，進一步擴展Excel的應用，實現地鐵車站主體結構受彎構件裂縫控制配筋的可視化批量計算，有效簡化傳統繁瑣復雜的手動配筋過程，大大節省了結構設計人力成本，提高了設計效率，對縮短項目設計周期以及降低工程造價具有重要的工程意義。