1）拉索疲劳问题

FAST通过控制促动器拉伸或放松下拉索实现望远镜主动反射面索网的变位驱动。其工作实质是一种特殊的、长期的往复疲劳荷载，带来了面索网拉索的疲劳问题。因此，结构在长期变位下索的疲劳寿命是决定FAST主动反射面整体支承结构能否成功建造的关键之一。

FAST反射面在球面基准态时，索网的应力水平为500～600MPa，从球面索网变至抛物面索网，面索应力变化分布范围为－340～130MPa。长期主动变位工作使得FAST索网结构一直处于较高应力波动状态，对构件而言是一种特殊的、长期的往复疲劳荷载作用。按30年全年全天连续工作计算，FAST反射面结构疲劳寿命要满足47 478次长时巡天跟踪观测和101 950次随机独立跟踪观测，共149 428次。哈尔滨工业大学曾针对国内三个厂家提供的钢绞线和钢拉杆行高应力幅作用下的疲劳试验，分析其在高应力幅作用下的疲劳性能与破坏模型，并比较不同厂家钢绞线的疲劳性能，为FAST反射面结构设计与建造选材提供参考依据。试验发现：钢拉杆的疲劳寿命要远低于钢绞线，不能满足FAST对疲劳性能的要求。只有部分钢绞线能够满足要求，为确保工程安全应改进工艺，研制适应FAST工程的高性能钢绞线［5］。

对不含周圈钢构的FAST索网模型进行初步主动变位分析，在30年的运行期间内，预计总共有至少数十万次的观测，面索网的疲劳应力幅为470MPa。通过这部分研究可以看出，主动变位带来的疲劳分析对FAST主动反射面研究的重要性，但是它忽略了周圈钢构的影响，也没有对30年的运行期间内进行完整系统的索网拉索主动变位疲劳分析，缺乏可靠性。

结合FAST索网对钢索的特殊要求以及拉索疲劳性能的现状，在与中国科学院国家天文台FAST反射面研究组充分研讨后，提出必须设计新型钢索形式和索头形式，开展新型钢索的试验研究。本书以FAST主动反射面为主要背景并结合其他工程实践展开其整体支承结构的索网疲劳性能分析及新型耐超高应力幅疲劳的钢索试验研究。

2）索网优化设计

FAST的面索网为正高斯曲率，无法形成预张力自平衡的结构，而在面索网的外侧设置径向下拉索后，面索网和下拉索可构成预张力自平衡的正高斯曲率索网结构。另外，在工作使用中可通过促动器等设备调控下拉索的长度，促使面索网形成不同的曲面，从而实现正高斯曲率索网形控结构。

在工作使用中，载控结构是在荷载（如自重、温变、风载和雪载等）作用下被动发生位形变化而达到新的平衡状态；而形控结构为满足工作时的特定位形，不仅经受荷载作用，还在调控机构的作用下主动变位至预设的目标位形并引起内力变化。因此，形控结构的内力变化来自于两方面，即荷载变化和主动变位。

常规载控结构进行正高斯曲率索网形控结构设计的基本思路为：

（1）设定已知条件，包括：索网的几何拓扑关系、拉索材料特性、荷载条件、边界约束条件、基准态和工作态的结构位形条件、拉索的容许应变和调控机构的容许载荷、拉索备选规格等。

（2）初设拉索的规格和初始预张力。

（3）工况分析，包括初始基准态和多个工作态。

（4）拉索和调控机构的承载力验算。

（5）若承载力不满足要求，则应调整拉索的截面规格和初始预张力。(www.daowen.com)

（6）重复步骤（3）至（5），直至迭代满足收敛标准。

采用常规载控结构的设计思路进行索网形控结构的设计，着重于工况分析，尽管思路简单，但由于形控结构的工作态工况过多，导致设计效率低，未能充分体现形控结构的工作特点。

3）周圈桁架优化设计

FAST索网结构的直径达到500 m，为超大尺度的结构，而温度变化对这类结构影响较大。不同于常规荷载作用下的变形和应力，温度变形释放，则无温度应力；反之，温度变形约束，则产生温度应力。在常规大跨钢结构工程中，为削弱温变的影响，降低温度应力，往往采用支座滑动的方式释放温度变形。

如前所述，FAST索网为形控结构，工作时通过促动器调节下拉索，使面索网主动变位至指定曲面上。也就是说，当温度变化时，工作的下拉索仍要将面索网拉至指定位置，以消除温度变形对面索网工作曲面的影响。

周圈钢桁架采用滑动支座，同较低的周边结构刚度一样，由于较柔的边界刚度，增大了索网周边的节点位移和主动变位的困难，从而导致边缘下拉拉力变化幅值大，另外还增大了索网的预应力损失；但有利的是，工作时索网内力变化幅度降低，钢支柱受力和支座反力减小。周圈钢桁架的支座形式从固支设计为滑动，其利弊尚需通过计算模拟进行进一步验证。

4）周圈钢构和索网的施工方案

FAST为超大型主动形控科学仪器，规模尺度大，结构形式特殊。反射面支承索网结构由6 670根面索和2 225根下拉索组成，其中面索的长度均为11m左右，而下拉索的长度在4m至60m之间。施工场地在贵州山区，基础施工完毕后预留3.5m宽的盘山公路，仅在球面底部有较为平坦的场地，球面上部均为陡峭的山体，地面场地非常粗糙。拉索在地面无法展开，无法在全场搭设大量支承架，重型吊装设备难以进入场内，高空作业量大。结构特点和场地条件决定了周圈钢构和索网安装的复杂性和挑战性。对超大直径索网的无支架、高精度安装技术将是研究的重中之重。

5）施工精度控制

FAST为高精度天文仪器，索网支承结构制作和安装的精度控制就显得异常重要。索网总球面面积约252 456m2，面索长度较短，约11m，根数多达6 670根。大量的拉索，在现场难以由工人自行调节索长误差。一旦结构安装完成，难以对索网再进行大规模的调整。索体弹性模量、索网和背架自重、面索综合无应力长度、边界节点坐标、下拉索地锚节点坐标的误差都会对索网最终成型精度造成影响。因此需进行误差敏感性分析，确定敏感性因素，并结合实际施工可达到的精度提出施工精度控制指标，为施工精度控制提供依据。

6）运营中索网结构安全性的评估

FAST项目重点在于针对望远镜索网主动变位的特性，基于力学仿真技术发展一套准实时辅助控制系统。该系统能够基于传感器输送的数据进行实时计算并补偿各种因素对反射面控制精度的影响，实时地对各种故障工况进行系统性评估。该系统将有助于提高望远镜反射面的控制精度及运行可靠性，为望远镜保证其应有的观测效率提供技术支持，对望远镜的调试、运行及维护有非常重要的实用价值。

FAST项目难点在于：①实时接收OPC接口传输的促动器故障响应以及抛物面各工况的下拉索伸长量，并依据这些运行状态信息进行工况实时分析并反馈；②根据不同的要求误差限额，需设置不同的迭代次数，以进行全过程分析并形成总应力矩阵，并在此基础上进行超限判断；③由于该项目采用MATLAB和ANSYS作为实现准实时评估的主要工具，如何交互进行MATLAB操作和ANSYS有限元分析是实现控制目标，并保证计算效率的又一大难点。