网壳等大跨空间网格结构以其经济、美观,能覆盖较大空间等特点,广泛应用于工程结构领域,但其在强震下的倒塌破坏机理仍处研究之中。结构的倒塌破坏是一个伴随大位移大转动、材料非线性及构件断裂等多物理力学现象的过程,模拟这样的强非线性过程对现有数值计算方法而言是一个很大的挑战,因此多年来也一直成为研究的热点与难点。本文以单层网壳结构的倒塌破坏数值模拟为主线,以杆系DEM方法作为基本分析手段,对结构破坏中涉及到的各关键问题进行研究,通过理论推导和数值计算,实现了单层网壳结构倒塌破坏全过程模拟,并对网壳结构倒塌过程中的破坏机理进行研究。建筑结构的倒塌破坏本质上是材料由连续向非连续动态转化的一个复杂的力学过程,横跨连续介质和非连续介质力学两大领域,常用的有限元法难以胜任对结构倒塌全过程进行模拟。本文从物理概念出发并根据颗粒DEM方法的特点,将其拓展应用于平面以及三维杆系结构分析,提出了一种新的杆系结构DEM方法。首先建立了平面及三维杆系结构DEM方法的基本概念和原理,详细推导了平面及空间杆系结构的计算公式和求解过程。同时,对单元质量、转动惯量的计算以及公式修正进行了阐述,讨论了DEM方法计算静力问题的求解策略,并对阻尼力问题、时间步长的选取等问题进行探讨。将杆系DEM方法与其它数值计算方法进行比较,明确该方法在杆系结构分析领域的优越性和独特性,为大跨空间单层网壳结构倒塌破坏模拟分析奠定了理论基础。结构倒塌过程中常伴随大位移、大转动等大变形行为。文中以杆系DEM方法为基础,给出了该方法处理几何非线性问题的研究思路和计算流程,并编制了结构几何非线性大变形分析程序。通过对多个算例包括平面悬臂梁以及星型空间网壳结构进行几何非线性静力和动力分析,验证了DEM方法在结构几何大变形分析中的适用性和正确性,也体现了该方法将结构动静分析合二为一的特点；对空间框架结构地震作用下动力分析以及单层网壳结构受冲击力等行为进行模拟,计算结果表明本文方法、理论和计算程序能很好地求解平面或空间杆系结构几何大变形问题。较有限元法而言,杆系DEM方法计算时将动力分析和几何非线性分析自动包含于运动控制方程的求解之中,是一个自然的过程,不必刻意区分是小变形还是大变形问题,能够很好地处理大位移、大转动等行为,适宜用于求解结构大变形问题。在几何非线性分析基础上,本文进一步构建了DEM方法拓展至结构弹塑性分析的基本框架,对材料非线性问题进行了研究,并比较和讨论了DEM方法与传统FEM方法在结构弹塑性问题分析思路上的区别。分别建立了DEM方法塑性铰模型和可考虑截面塑性开展的纤维模型,详细推导了这两种弹塑性模型的内力增量计算公式和求解流程,编制了结构弹塑性分析程序。对若干算例包括平面和空间杆系结构进行静力、动力弹塑性分析,计算结果与文献结果或其它方法计算结果相吻合,验证了本文方法在结构弹塑性分析中的正确性和适用性。DEM方法处理几何、材料非线性问题时,不需要组集单元刚度矩阵,也不需要对方程进行迭代求解,避免了计算不收敛等问题,较有限元法更具优势。DEM方法适合处理非线性、大变形以及断裂等问题,但存在计算量大、耗时长等缺点,而大跨空间网格结构节点众多、杆件数量庞大,单一使用DEM方法对其进行模拟难以在工程上获得真正应用。结合网壳结构倒塌破坏时仅是小部分节点区域发生失效而大部分杆件仍处于弹性小变形的特点,本文建立了一种DEM/FEM耦合计算模型,即对网壳节点局部和发生大变形的区域采用DEM模拟,弹性小变形区域采用FEM模拟。首先,通过虚功方程和变分原理推导出了耦合模型的系统控制方程,用罚函数法将附加条件引入到修正泛函,导出了界面耦合力计算公式,给出了耦合模型计算流程并自主开发了相关计算程序。通过两个典型算例：悬臂梁大变形分析和网壳受冲击荷载作用瞬态动力非线性分析,比较了纯FEM、纯DEM以及DEM/FEM耦合三种不同计算模型的数值结果与计算效率。计算结果表明DEM/FEM耦合模型应用于大型空间网格结构动力非线性分析时,与纯DEM模型相比可减少计算规模从而节省机时、计算效率高；处理强非线性问题时,纯FEM模型存在不收敛现象而耦合模型能顺利完成计算分析,更具算法稳定性优势。然后,将DEM/FEM耦合模型应用于单层球面网壳振动台试验模型1地震作用下倒塌数值模拟,并与试验过程及试验现象进行了对比,分析表明数值模拟得到的结构响应与倒塌破坏过程均与试验过程、试验现象较为吻合,并通过杆件塑性发展程度分析进一步揭示了网壳发生倒塌破坏的机理。DEM/FEM耦合计算模型的提出为研究大型复杂结构倒塌破坏分析提供了一种新的计算手段。最后,基于杆系DEM方法,本文还对结构倒塌破坏中构件断裂问题开展了研究。以纤维模型为基础,定义了纤维(分布弹簧)断裂破坏准则,提出了构件断裂模拟算法,可实现考虑构件断裂行为的结构倒塌破坏数值模拟。通过悬臂梁断裂问题和钢框架受爆炸冲击作用倒塌破坏两个算例,验证了本文DEM方法用于模拟结构倒塌破坏问题的适用性和合理性。然后,将DEM/FEM耦合模型应用于单层球面网壳振动台试验模型2、模型3地震作用下倒塌破坏模拟,并与试验过程及试验现象进行了对比,分析结果表明数值模拟得到的结构响应以及倒塌破坏过程均与试验过程、试验现象较为吻合。DEM方法模拟构件断裂时,截面开裂和单元之间发生相互脱离是一个自然的过程,可顺利实现由初始完好的连续体状态向断裂后的非连续体进行过渡而无需修正,较FEM方法而言,不存在网格畸变和网格重划分、迭代不收敛等问题,更具计算优势。本文的研究工作模拟了网壳结构从弹性、弹塑性直至发生断裂破坏倒塌全过程,为大跨空间网格结构复杂行为分析及倒塌破坏机理研究提供了计算方法。同时,本文将离散元这种非连续数值计算方法应用于连续性的大跨空间网格结构,拓展了离散元法在结构工程领域中的应用范围,为结构在极端荷载作用下的非线性反应分析提供了新的研究途径。