索穹顶结构是由Geiger根据Fuller的“张拉整体”思想开发出的一种结构效率极高的结构体系,其主要是由拉索和压杆组成,依靠施加预应力提供结构刚度,具有重量轻、跨度大及建筑形态丰富多样等特点,是代表了大跨空间结构较高水平的结构形式。目前国内外应用的索穹顶结构形式主要有Geiger型和Levy型两种。本文所研究的具有外环桁架的索穹顶结构,是一种特殊形态的索穹顶结构形式,目前仅有美国的一个工程实例和工程介绍文章。本文结合具有外环桁架的索穹顶结构的构形,提出了多种结构布置方案,对具有外环桁架的肋环型索穹顶的初始预应力分布、静动力特性、地震响应等进行了系统研究和深入分析,最后设计加工了模型,进行试验验证。第一章在查阅国内外相关文献的基础上,系统地分析了索穹顶结构的发展历史、工程实践应用、国内外主要的研究现状,结合具有外环桁架的索穹顶结构的特点,明确了本文的主要研究内容。第二章分析了具有外环桁架的索穹顶结构的几何构成特点,提出了6类索穹顶设置外环桁架的结构布置方案,提出了桁架腹杆布置的两种方案及桁架内倾和外倾的不同造型方案。第三章针对具有外环桁架的肋环型索穹顶结构提出了初始预应力分布的简捷计算方法,推导了预应力的显式表达式。通过算例计算并与电算结果的对照分析,表明该方法是精确、可行的,既可方便有效应用于工程实践,又可作为理论分析的有益补充。静力性能分析是研究、评价结构体系性能的重要内容和基础。第四章对具有外环桁架的肋环型索穹顶结构在满跨荷载、半跨荷载作用下的杆件受力及节点变位进行了分析研究,同时考虑预应力变化、外环桁架高度变化、外环桁架倾角变化对受力性能的影响。第五章分析研究了具有外环桁架的肋环型索穹顶结构的自振频率及振型分布特点,同时就体系的预应力水平、外环桁架高度、外环桁架倾角及环索截面大小对动力性能的影响做了分析。第六章对具有外环桁架的肋环型索穹顶结构的地震响应,包括构件的内力和节点的变位作了时程分析研究。第七章结合本文的理论研究设计加工了直径为5.0米的具有外环桁架的肋环型索穹顶结构模型,通过测试结构的预应力分布、在多种荷载工况作用下的结构响应,验证了理论研究的正确性,且分析说明了产生试验误差的原因。论文最后对本文的研究内容进行了总结,指出了该种新型空间结构仍需要解决的一些问题,明确了今后的研究方向。