拉索一般仅具有抗拉刚度，不具备抗压和抗弯刚度，因此由拉索构成的索网结构需要通过张拉等方式引入初始预张力，预先储备足够的预拉应力，以保证工作使用中拉索始终处于受拉状态。FAST索网支承结构为具有正高斯曲率的面索网，无法形成预张力自平衡的结构。而在面索网的外侧设置下拉索后，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或千斤顶等设备调控下拉索的长度，促使面索网形成不同的曲面，以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，不仅要承受荷载作用，还要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：荷载变化和主动变位。

形控结构的基准态为预备工作前的初始形态，而工作态为发生主动变位的工作状态。两者的位形都是预定的工作条件，因此主动变位引起的材料应变也是预定的，而应力和内力的变化则还与材料的弹性模量和构件的截面特性相关。

借鉴常规载控结构的设计方法，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，则调整拉索的截面规格和初始预张力。

（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。对索网形控结构的功能特点进行进一步研究，从而提出了基于初始基准态的正高斯曲率索网形控结构设计方法。

正高斯曲率索网形控结构包括面索网和下拉索，通过主动调控下拉索的长度，实现面索网曲面主动变位至不同的工作态位形。根据功能要求，索网形控结构的基准态和工作态的位形是确定的，因此从基准态主动变位至工作态产生的形变也是确定的，即主动变位产生的应变是定值，与材料的力学特性、构件的截面特性以及外载荷无关。在主动变位工作中，索网还会遇到温变、风载和雪载等荷载变化。当遇到大风或大雪等恶劣荷载条件时，索网形控结构应停止主动变位工作，但在一定的允许温差范围内应能正常主动变位工作，因此主动变位工作中产生的应变包括了应力应变增量和温度应变。当温变载荷和材料线膨胀系数一定时，拉索中的温度应变也是定值。因此，通过预先分析基准态和工作态在位形和温度方面的差异，掌握主动变位和温度变化引起的应变，则可基于初始基准态（单个工况）进行索网形控结构设计，而无需进行工作态（多个工况）的反复分析，这显然提高了索网形控结构的设计效率，但增加了初始基准态的分析难度。

基于初始基准态的正高斯曲率索网形控结构设计方法根据正高斯曲率索网形控结构特点：工作时面索总应变等于初始基准态的初应变和工作态的主动变位应变之和，而主动变位应变包括了应力应变增量和温度应变；主动变位应变取决于基准态和工作态之间的位形差异，温度应变取决于工作允许温差和材料线温度膨胀系数，这两者与自重荷载、面索的规格和弹性模量无关；通过预先分析工作使用期间基准态和工作态在位形和温度方面的差异，掌握工作中的主动变位应变和温度应变；在初始基准态，限定较高水平、较窄区间的面索初应变允许范围，设定下拉索初张力；通过找力分析，寻求基于初始基准态位形与下拉索初张力和自重满足静力平衡条件的面索初张力；在面索允许初应变限定下，以减轻自重为原则优化拉索的截面规格。

该方法具体包含以下步骤（流程图见图4－1所示）：(www.daowen.com)

图4－1　形控结构设计流程图

（1）分析准备和建立有限元分析模型，包括：索网几何拓扑关系、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、拉索的容许应变［ε］、调控机构的容许载荷上限［FJU］和下限［FJL］、拉索备选规格等。

（2）确定面索温度应变εT。

（3）确定面索主动变位应变εd。

（4）确定初始基准态的面索初应变的上限［ε0U］和下限［ε0L］。

（5）确定初始基准态的下拉索初张力PJ。

（6）初设面索规格，选择最小截面规格。

（7）确定面索网综合弹性模量Em0。

（8）施加自重载荷，包括索体、索头、连接件和附属物的重量。

（9）面索初张力的找力分析，寻求基于初始基准态的位形，与下拉索初张力和自重满足静力平衡条件的面索初张力。

（10）优选面索截面规格，在面索允许初应变限定下以减轻自重为原则。

（11）重复步骤（7）至（10），直至迭代前后两次面索的总重量之差满足收敛标准。