有限元是现今结构计算分析的重要工具，具有相对成熟的结构计算理论和相对完善的商用软件。但是，在解决土木工程中一些特定结构形式，或是一些特殊问题时，大型商用软件并不能做到面面俱到。因此本文以大型土木工程结构苏通大桥和世博中轴膜结构及阳光谷工程为依托，以土木工程设计分析软件3D3S为平台，主要研究了大型土木工程结构非线性有限元高等分析的基本理论和数值计算方法。本文以有限单元理论为核心，所有单元的几何非线性部分都采用U．L．列式，旨在丰富现有单元种类，完善现有单元功能，提高计算效率和方便建模。主要研究内容如下： ⑴推导得到三类梁单元：可以考虑剪切的截面梁单元、带翘曲自由度的截面梁单元以及三维等参退化梁单元。本文分析了这三种单元的各自优缺点和适用范围。对于截面梁单元，本文通过简单参数设置完成考虑剪切功能，并给出单元线性和非线性刚度的显式表达；对于带翘曲自由度的梁单元，主要研究了如何引入第7个自由度，即翘曲自由度；对于三维等参梁退化单元，主要研究了它在分析复合截面梁、曲线梁以及任意变截面梁问题中的优越特性，由于它采用了真实三维本构关系，因此能模拟截面塑性变化过程。 ⑵推导得到两类只受拉单元：悬链线索单元和三角形各向异性膜单元。对于悬链线索单元，本文主要研究了在得到悬链线索单元刚度矩阵过程中必须经历的两类迭代过程（已知原长求力和已知力求原长），对这两个过程做了必要的修正；对于膜单元，本文在以往各向同性三角形膜单元的基础上，引入经向和纬向（即主轴方向），采用三角形面积坐标系，推导得到了非线性各向异性膜单元的线性和非线性单元刚度矩阵。 ⑶推导得到两类板壳单元：平板壳单元和三维退化等参壳单元。本文分析了这两种单元的各自优缺点和适用范围。对于平板壳单元，基于Kirchhoff假设，运用广义协调技术，将线位移和转角位移相互独立的位移场引入面内旋转自由度，构造出4节点24自由度四边形平板壳单元和3节点18自由度三角形平板壳单元，该系列壳单元大大改善面内受弯性能；对于8节点等参壳单元，它同平板壳单元相比主要优势在于，可以模拟任意曲线壳和变厚度壳问题，由于它也是根据退化理论推导得到，因此它跟退化梁单元一样，能反映截面塑性变化的过程。 ⑷研究了土木工程领域内出现的一些有限元特殊情况的处理方法，包括：特殊边界，特殊荷载，特殊截而和特殊单元。主从节点计算理论通过对节点之间增加约束方程，完成加载偏心计算；自由度释放的非线性理论通过对坐标转换矩阵进行内部处理，避免了自由度缩聚带来的精度损伤，且不用重复建立节点；温度作用分析通过半解析方法，解决季节温差和日照温差的计算问题；移动荷载分析采用变量分离的方法，解决了桥梁结构中车道荷载的计算问题；薄壁截面数值计算器主要是运用图论和比拟有限元法，计算任意开口和闭口薄壁截面的截面特性；弹簧单元主要模拟的是结构计算中的连接单元部分，其中比拟梁弹簧单元通过把6个弹簧刚度等代成梁的6个材料参数，解决了一般弹簧单元大位移计算过程中难以收敛的问题。 ⑸在苏通大桥和世博中轴火型土木工程结构中运用本文推导得到的有限单元以及非线性计算理论，跟其他成熟软件计算结果比对，可得：本文的有限单元精度高，计算效率高，通用性强，建模方便，并且很多功能相比其它软件有很大改进，计算结果更接近工程实际。