冰结构是以冰作为主要受力材料的一种建筑结构形式,具有历史悠久、绿色环保、观赏价值高等优点。不仅在冰雪旅游方面发挥巨大作用,而且在极地甚至外太空探索等领域也具有潜在应用价值。传统冰结构主要采用天然冰砌筑方式建造,由于天然冰的承载力低,而且砌筑施工方式相对落后,使得传统冰结构的尺度及造型均受到限制。近年来,国内外学者在将现代建造技术应用于冰雪结构方面进行了积极探索,提出了一种以充气膜为施工模板,结合水-纤维混合溶液喷射、冻结成型技术的新型大跨度冰壳结构形式,并对其各项性能开展了初步研究。相比传统冰结构,这种新型冰壳结构受力更为合理、造型更加丰富,代表了现代冰雪结构的发展方向。基于上述背景,本文拟从受力性能和施工仿真分析两方面对大跨度冰壳结构开展系统研究,建立相应的设计、施工分析理论,推动新型冰壳结构在我国的工程应用。主要工作包括以下几方面:（1）基于损伤力学与材料试验,建立了复合冰材料热力损伤本构模型。将复合冰视为准脆性材料,提出了“两段式”热力损伤本构模型。加载前期,通过引入温度变量建立了复合冰的热弹性本构方程;界面损伤后,通过引入损伤力学中的粘聚裂纹模型,建立了复合冰的损伤演化模型,实现了复合冰由损伤到断裂过程的模拟。基于三点弯曲切口梁试验,测定了复合冰损伤本构模型的开裂抗力常数——断裂能。通过自主开发的损伤本构子程序与典型试验,探讨了适用于复合冰的损伤软化曲线选取、网格敏感性等问题,验证了本文建立的复合冰热力损伤本构模型的准确性与适用性,也为后续研究大跨度冰壳结构的破坏模式与失效机理奠定了基础。（2）建立了考虑日照影响的冰壳结构受力性能精细化分析方法,揭示了热力耦合作用下的冰壳结构失效机理。建立了考虑日照辐射作用的冰壳非均匀温度场分析方法,提出了考虑温度连续变化的冰壳结构热力耦合分析方法,实现了对冰壳结构受力性能的精细化模拟。结合典型算例,研究了考虑材料非线性和几何非线性的冰壳结构极限承载性能,分析了不同荷载形式、环境温度等影响下冰壳结构的破坏模式与失效机理。最后,研究了实际服役环境下大跨度冰壳结构的非均匀温度场与热力损伤演化规律。（3）开展了满足复杂形态冰壳施工需求的气膜模板找形方法研究。不同于传统气膜设计,冰壳气膜模板以“形”的匹配为首要目标,受力性能满足施工荷载即可。为此,本文建立了满足复杂形态冰壳施工需求的气膜模板形态控制方法,通过快速充气模拟与参数优化,获得与冰壳设计形状最接近的充气膜,并以此作为冰壳施工模板。考虑到气膜模板优化中的目标函数、优化变量以及约束条件的复杂性,提出了一系列提高计算精度与收敛效率的措施。最后,通过数值算例验证了复杂造型气膜形态控制方法的有效性与优越性。（4）开展了考虑水膜流动与逐层冻结过程的冰壳喷射施工仿真分析研究。冰壳喷射施工模拟涉及液体流动与材料相变等物理过程,属于典型的多物理场耦合问题。通过对喷射过程解析与适当简化,将其解耦为水滴流动与逐层冻结过程,分别建立了描述水膜喷射流动的质量守恒模型与冻结成冰的热平衡模型。采用有限差分法,构建了水膜流动与冻结过程的数值耦合求解方法。通过数值算例,探讨了施工用时、需水量、施工质量等因素的相互影响规律,进一步阐述了喷射施工仿真方法的有效性与应用价值。（5）开发了冰壳结构专用分析软件,并在多个实际工程中得到成功应用。将前面各章节方法集成,基于Rhino-Grasshopper参数化平台,开发了适用于冰壳结构的分析系统——Rhino Igloo,实现了复杂造型冰壳结构的快速分析与评估。汇总了2016年以来开展的多个大跨度冰壳工程案例,并以2020年“雪域梦乡”冰壳为典型案例,探究了集成分析系统的有效性与工程应用价值。