在外荷载作用下,索杆张力结构会发生大变形、大变位、断裂和碰撞等不连续行为。目前对于索杆张力结构的分析以宏观为主流,主要关注结构的整体受力性能,这虽然能基本满足结构整体设计研究的要求,却无法反映结构真实的失效机理。本文以索杆张力结构的精细化分析和倒塌破坏研究为主线,基于向量式有限元,从梁的精细化分析、索的精细化分析、结构的断裂碰撞三个方面入手,模拟索杆张力结构倒塌全过程,并对索杆张力结构的局部失效进行研究。介绍了向量式有限元的基本概念。从体系离散模型、单元内力计算、等效外力计算、节点控制方程求解等方面介绍轴力杆件和弯曲杆件单元的基本理论。为索杆张力结构精细化分析和倒塌破坏研究奠定理论基础。基于精细梁模型,同时考虑拉压、弯、剪、扭、翘曲及其耦合效应作用的影响,推导了适用于向量式有限元的精细梁单元弹性应变和内力计算公式,总结弹性计算流程,编程验证该模型在结构弹性分析中的有效性。在材料进入塑性后,随着轴向应变的增加,由平截面假定引起的误差不可再忽略,需要对平截面假定进行修正。本文基于向量式有限元,考虑平截面假定修正,推导了精细梁单元节点应变及内力公式,并利用高斯积分法进行精细梁单元塑性分析。采用FORTRAN自编程序,通过算例分析验证精细梁模型在结构弹塑性分析中的有效性。基于曲杆理论建立钢丝静力拉伸模型,以钢拉索中的钢绞线为研究对象,推导了外部荷载作用下单根钢丝的平衡方程,重点考察了钢拉索外层钢丝螺旋角变化时,钢拉索总轴力、弹性模量、抗弯刚度等参数的变化规律。在此基础上分析受荷过程中拉索上述截面特性变化对结构受力性能的影响。以钢丝绳、半平行钢丝束以及钢绞线为研究对象,利用ANSYS软件对采用不同捻制方式的钢拉索进行有限元分析,研究荷载作用下钢拉索截面应力分布规律。将截面沿径向分为若干层,定义索截面的各层应力修正系数。基于ANSYS研究成果,考察钢拉索截面各层应力修正系数γi的分布规律。考虑钢丝间摩擦的影响,以1×7、1×19钢绞线为研究对象,通过ANSYS建模分析研究钢拉索截面应力分布规律。建立杆单元、索单元和梁单元的断裂准则和断裂模式,给出断裂后节点质量、惯性矩及内力等参数的计算方法。通过数值方法模拟索杆结构、梁系结构的倒塌全过程。并从能量守恒的角度出发验证模型的合理性。介绍杆件空间相对位置的判定条件。在此基础上建立了杆件运动中的接触侦测方法,推导了碰撞后杆件的接触力和速度的计算公式。基于物理学碰撞试验,提出碰撞时的能量耗散模型。以节点最大位移和松弛破断杆件比例作为指标,参考已有文献提出外荷载作用下索杆张力结构失效准则。进一步分析局部索杆失效、支座约束失效等情况下结构的受力全过程。以Levy型索穹顶和弦支穹顶为例记录脊索、斜索、环索和竖杆突然断裂时,结构变形的整个过程及断索后各杆件的内力变化过程。研究支座约束失效对索杆张力结构的影响,记录结构某个支座的x方向或y方向失效时结构的倒塌破坏全过程以及各杆件的内力变化全过程。对梁单元、索单元进行精细化分析,并将其应用于索杆张力结构倒塌分析之中,提出外荷载作用下索杆张力结构失效准则,丰富了向量式有限元单元模型,为索杆张力结构局部失效及倒塌破坏研究提供一种有效的方法。