张拉整体结构是现代柔性空间结构的典型代表,索穹顶结构由于其优美的造型、较强的跨越能力、良好的经济效益在工程实践中得到了广泛的应用。现有的索穹顶结构支撑于钢筋混凝土圈梁或环形钢桁架上,在严格意义上讲并不是真正的张拉整体结构。因此,研究带环形张拉整体结构的自平衡索穹顶结构具有较好的理论意义和工程应用价值,而构造可行的环形张拉整体结构是实现自平衡索穹顶结构的首要任务。本文对环形张拉整体结构的拓扑优化和静动力特性进行了研究,并对其在自平衡索穹顶结构中的应用进行了探索,旨在为该类结构在工程中的推广应用提供理论基础和技术支持。鉴于张拉整体结构体系必需由外加的预应力提供刚度方能维持几何形态稳定的特性,本文首先介绍了基于平衡矩阵的二次奇异值分解法和基于刚度矩阵的张拉整体找形方法,探讨了两种预应力模态求解方法的适用范围,编写了相应的MATLAB计算程序,并通过算例验证了其有效性,为后续环形张拉整体结构的拓扑优化及自平衡索穹顶结构的静动力特性分析提供了理论基础。根据环形张拉整体结构柔性结构的特点与力学特性,本文以结构总质量最小为目标函数,以节点连接杆件数、结构存在自平衡模态、构件不交叉、应力性质、位移限值为约束条件,结合共享函数小生境技术以及预选择机制,提出一种基于小生境遗传算法的环形张拉整体结构拓扑优化方法。算例分析结果表明利用基于刚度矩阵的张拉整体结构找形方法及其改进可有效地对不同拓扑条件下的环形张拉整体结构进行自平衡模态的求解与受力分析。采用共享函数小生境技术和预选择机制对遗传算法进行改进,可有效地提高传统遗传算法的可靠性、稳定性。本文所提出的方法可用于环形张拉整体结构及其它张拉整体结构的拓扑优化。刚度较小是张拉整体结构的弱点之一,也是张拉整体结构应用于实际工程面临的最不利因素。本文对环形张拉整体结构的受力性能进行了研究,结合可能的工程应用,在第三章已施加的约束条件基础上对环形张拉整体结构额外施加竖向位移约束,求得相应约束条件下环形张拉整体结构的拓扑优化最优解,分析了预应力水平和结构杆件截面积对最优解结构静动力特性的影响。本文进一步对环形张拉整体结构在索穹顶结构中的应用进行了研究,分析了环形张拉整体结构的刚度对索穹顶结构受力性能的影响,模拟了自平衡索穹顶结构在荷载作用下的受力过程,研究了考虑几何非线性、材料非线性、压杆弹塑性屈曲、拉索松弛和拉索屈服等条件下的结构极限承载力。对比和分析了自平衡索穹顶与传统索穹顶在多种工况下的结构构件内力、节点位移、支座反力、极限承载力以及动力特性的相似相异处,分析结果表明自平衡索穹顶结构具有较好的刚度,且由于环形张拉整体结构的作用,结构的受力性能得到了改善。本文采用改进的遗传算法对环形张拉整体结构进行拓扑优化,并分析了将其作为外环时自平衡索穹顶结构的静动力特性,为自平衡索穹顶结构的实际工程应用提供了理论基础和技术支持。