拱式结构造型优美、受力合理,广泛应用于土木工程中。它能把竖向荷载以轴力的方式传递给支座,大大减小了弯矩,易于实现大跨度。目前,对于拱在静力荷载作用下,基于弹塑性极限强度破坏分析的失效机理和失效模式的研究,多源于经验和数理统计而非机理性。本文在实腹钢拱静力极限承载分析结果的基础上,考虑非线性影响,探索钢拱在极限荷载作用下的能量、位移等特征响应的发展规律。验证结构整体降次化应变能密度和值表征结构受力状态的合理性,建立具有机理性和统一性的失效判定准则,并预测失效荷载与失效模式。具体的研究内容和成果如下:1、受力状态特征参数的确定与钢拱的强度破坏形式的限定。以简单桁架为例,首先表明结构应变能密度和值反映结构受力状态的可行性;其次说明对应变能密度做降次化处理,并用降次化应变能密度和值表征结构受力状态的优势;再次,比较两铰拱和相同跨度简支梁的内力分布和差距,说明拱式结构受力的合理性,并探求几何非线性对拱截面轴力和弯矩的影响,得到各种矢跨比下几何非线性对弯矩影响很大的结论;最后,探明本文算例中强度极限破坏和面内弹性分支失稳破坏发生的规律,保证本文算例的强度破坏先于失稳破坏。2、能量分析方法中非线性的影响规律。首先,基于几何非线性和材料非线性在结构中作用原理的不同以及两种非线性在ANSYS有限元程序中的实现方法,定义四种分析算法并重点编制了几何非线性算法的APDL命令流;之后,分别用几何非线性算法、材料非线性算法和双重非线性算法对同一拱结构进行计算分析,得到能量、变形随荷载增加的变化曲线,并定性分析非线性的作用规律:材料非线性在塑性阶段影响明显,两种非线性相互耦合彼此加剧;最后,定义了四个代表两种非线性分别对能量和变形贡献率的参数,定量分析结构失效时非线性的影响大小:依然是材料非线性强于几何非线性。3、结构受力状态模式与能量增速指数的对应性。基于不同边界约束、不同矢跨比、不同长细比和不同荷载工况下实腹钢拱的有限元计算数据统计分析,探索出描述结构受力状态模式的方法,比对受力状态模式和能量增速指数曲线特征拐点的对应性,为给出失效准则、预测失效模式提供算例依据。最后,以反映局部节点受力状态的罗德参数的不变性以及两种能量的高度拟合性,说明了弹性阶段拱结构微观受力状态的稳定性和结构整体化承载的性质,加深了受力状态概念的意义。