索穹顶结构是一种由脊索、斜索、环索和撑杆构成的空间张力索杆体系,这种结构以其新颖的结构造型、巧妙的构思、较轻的自重和快速的施工,一经问世便引起了国际空间结构学术界与工程界的高度重视。目前索穹顶结构的屋面覆盖系统主要采用张拉膜,对于刚性屋面索穹顶的研究尚处于起步阶段。玻璃面板、彩钢板等传统刚性屋面材料,在国内钢屋盖结构中已有非常广泛的应用,但刚性屋面的跨越能力小,需要增设次结构支承屋面,并将屋面荷载传递至索穹顶主体结构,这对次结构的跨越能力提出了较高的要求。弦支穹顶结构是一种刚柔相济的杂交结构,其用上部网壳替换了常规索穹顶结构中的脊索网。弦支穹顶由于存在上部网壳而易于铺设刚性屋面材料,但弦支穹顶存在受压弯的网壳,用钢量相对较大,且目前弦支穹顶普遍需要搭设大量支架来高空拼装网壳,施工措施费高,高空焊接量大,工期长。本文作者在阅读了国内外大量文献的基础上,分析并总结了索穹顶结构及弦支穹顶结构的结构特点、施工方法以及工程应用,提出了一种新型结构—Levy型拉梁-索穹顶结构。Levy型拉梁-索穹顶结构由拉梁、斜索、环索和撑杆构成,即将常规索穹顶结构中仅受拉的柔性脊索替换为受拉弯的刚性脊梁。Levy型拉梁-索穹顶兼具索穹顶和弦支穹顶的优点,通过预应力张拉在拉梁、斜索和环索中建立预张力,属于张力结构;拉梁受拉弯,稳定性好,用钢量少,通过在拉梁上合理设置机构铰可采用先进的少支架甚至无支架的整体牵引提升的方法进行施工,便于铺设刚性屋面材料。本文对Levy型拉梁-索穹顶结构的构形进行研究,介绍其基本构成。拉梁上的铰包括设置在拉梁端部的结构铰和拉梁中部的机构铰,根据铰的设置位置,可以将Levy型拉梁-索穹顶分为无铰、单铰、双铰和三铰四种情况。对三铰拉梁、二铰拉梁和脊索构件进行了对比分析,研究了不同荷载工况下三者的受力和变形情况。采用迭代法进行了Levy型拉梁-索穹顶结构找力分析。采用非线性有限元计算方法,对Levy型拉梁-索穹顶的静力性能进行分析,考察了满跨活载、半跨活载及温变荷载作用下,构件内力和节点位移随荷载变化的规律。同时,为掌握Levy型拉梁-索穹顶结构与常规索穹顶结构的受力性能差异,分别建立跨度和几何拓扑关系相同,以及预应力找力目标一致的上述两种结构的模型,对比受力性能和变形情况,特别是拉梁应力和拉梁中部的局部变形,考察了拉梁对整体结构的刚度和承载力影响。此外,通过改变初始预应力水平和拉梁截面形式,对Levy型拉梁-索穹顶结构进行了参数化分析。本文采用整体提升牵引的施工方法实现Levy型拉梁-索穹顶的无支架提升牵引施工,需要在拉梁中部设置机构铰使拉梁网格变为机构,提出了七种拉梁机构铰设置方案。采用“确定索杆系静力平衡态的非线性动力有限元法(简称NDFEM)”对相应的结构模型进行了施工全过程分析,通过施工模拟分析得出了可行的拉梁机构铰设置模式。对Levy型拉梁-索穹顶结构进行了试验研究,设计了一个直径为8m的Levy型拉梁-索穹顶结构试验模型,模拟了其施工成型的全过程,测试了施工过程中结构的内力和位移,验证了“无支架整体牵引张拉施工方法”的可行性;分析了结构在满跨荷载和半跨荷载作用下的力学性能;通过实测值与理论值的对比分析,得出了一些有益结论。本文最后对研究的内容及成果作了系统总结,提出了以后亟待解决的若干其它关键问题及进一步的研究方向。本文的研究工作为Levy型拉梁-索穹顶结构的设计和施工提供了有力的技术支持,对Levy型拉梁-索穹顶结构的设计与施工均具有重要的理论研究意义和工程应用价值。