预应力拱架结构是20世纪80年代末，澳大利亚科研人员研发的一种新型大跨度结构一STRARCH。它通过张拉穿入拱结构下弦中的索使结构支座产生大位移，从而对结构施加预应力。在此过程中结构上弦通常进入塑性工作状态，大大地提高了结构刚度和使用跨度。预应力拱架结构一经产生立刻引起了各国工程界的关注。近两年来，我们课题组对其成形机理和受力特性进行了研究。研究过程中发现预应力拱架结构的关键技术在于通过几何大变形成形，这一特殊构造，使结构具有了区别于同类其它结构的优越性。在此研究基础上，本文提出了“体内预应力钢屋架结构”，将此成形技术引入屋架结构中，大大提高了屋架的工作效率、提高了屋架的刚度和受力性能，扩大了屋架的使用空间和范围，是一种应用前景非常好的结构形式。与预应力拱架结构相比，体内预应力钢屋架结构的优点在于直线拉索比预应力拱架的折线拉索具有更低的索力值，因而保持预应力拱架结构优点的同时预应力效率更高。 本文的研究工作主要包括两项内容： 1．对具有几何大变形的预应力结构进行了整体受力特性分析和结构找形研究； 2．对体内预应力钢屋架结构进行了参数分析研究、考虑索与下弦之间接触的成形过程分析、受力性能研究、自振特性研究，并做了静载试验对其成形过程和受力过程的理论分析进行了验证。主要成果如下： 1)对于施工过程中具有几何大变形的预应力结构，在设计时首先面对的问题就是结构几何形态确定问题。本文提出了一种简单、实用的找形方法，它精度高，能够快速由蓝图几何找到零状态几何，再由零状态几何找到结构的初始状态，方法简单，概念清楚，容易被工程设计人员掌握。运用本找形方法，在结构各参数不变的情况下存在唯一的结构初始态预应力分布。 2)对于体内预应力钢屋架结构，其成形过程中的有限元分析是一个复杂的高度非线性的问题。它囊括了几何非线性、材料非线性和接触非线性。本文对三种非线性问题的基本理论进行了讨论，特别针对成形过程中索与下弦的接触特点进行讨论，确定了本文有限元计算方法。接触分析中重点考察了结构成形过程中索与下弦之间的接触表现、结构的变形特性、内力分布规律、以及成形过程下弦缝隙闭合规律，并通过模型试验验证了理论分析的正确性。比较了接触算法与目前设计计算中常用温度算法的内力大小和分布情况，得到两种算法之间的差异，提出了设计建议。本文首次将接触算法引入大变形结构计算中，为目前结构设计方法提出一条新思路和可能性，极具理论意义和应用价值。 3)对体内预应力钢屋架进行参数分析。研究了成形前结构各独立参数变化对成形后结构的几何形状、预应力状态及稳定承载能力的影响。提出了体内预应力钢屋架结构的初步设计框架，根据参数特点将其分为预估参数、成形设计参数和承载设计参数，并在不同阶段确定。文中给出关键参数取值范围或拟合经验公式。 4)对预应力拱形结构进行整体受力分析，结果表明体内预应力钢屋架结构和预应力拱架结构虽然构造相似，但是两种受力性能完全不同的结构体系。由于受力性质不同，所以施加预应力的目的也不同。从整体受力角度上讲，体内预应力钢屋架结构施加预应力的方案是非常优越、有效的。对体内预应力钢屋架结构的性能进行分析，结果表明其构造合理，受力性能优越，预应力效果显著，与普通预应力屋架相比用钢量省。该结构拓展了屋架结构的使用跨度和范围，用于大跨度，结构优势更明显，是一种有效、实用的结构体系。