本文阐述了结构工程研究的现状和存在的问题,深入论证了结构受力状态分析理论与方法的背景和意义,总结了结构受力状态分析理论与方法的内涵和内容。进而,应用结构受力状态分析理论和方法对钢管混凝土短柱、拱式结构、弯梁桥结构等几种典型结构型式的试验数据与模拟数据进行建模分析,揭示在荷载幅度逐渐增大过程中结构工作行为演变所体现的共性规律,以及结构各个组成部分和各种内力类型构成的受力状态子模式的规律性特征。论文研究工作包括:(1)提炼归纳结构受力状态分析理论与方法的内涵和具体内容,使结构受力状态分析理论更加系统化:以广义应变能密度(GSED)的概念为基础,应用力学和数学建模方法对结构的受力状态进行建模;基于量变导致质变的自然规律,引入统计学中的Mann-Kendall(M-K)准则判别结构从稳定的受力状态跳跃到不稳定的受力状态的临界荷载,揭示并确定结构的破坏起始荷载,并以此起始破坏荷载更新结构失效荷载的定义;应用M-K准则判别结构其它本质特征,例如结构弹塑性分支点、结构连续失效荷载等;研究状态构形插值法拓展试验数据,深入揭示结构受力状态特征,给出预测结构失效荷载的公式。(2)对两种(CFST和CCFST)钢管混凝土短柱模型(构件)进行结构受力状态分析,引用M-K准则来判别结构受力状态特征曲线(广义应变能密度和值-荷载幅值关系曲线)的跳跃特征,分析结果将鉴证结构受力状态分析方法与M-K方法的功能和有效性,揭示以短柱受力状态模式质的突变为特征的失效荷载。然后,通过数值模拟获得更多不同参数短柱失效荷载数据,最后尝试给出短柱失效荷载的预测公式。(3)对一组钢管混凝土抛物线拱结构模型(介于构件与结构之间)进行结构受力状态分析,引用M-K准则判别结构受力状态特征曲线(归一化广义应变能密度和值-荷载幅值关系曲线)的跳跃特征,揭示各个模型拱的失效荷载和受力状态的不同阶段特征。然后,从试验应变、位移等构成的结构受力状态模式和结构受力状态子模式,来验证拱式结构失效荷载的合理性。进而,对拱结构进行有限元建模,分析拱的构造和材料参数对结构失效荷载及极限荷载的影响。最后,以模拟数据建立结构失效荷载及极限荷载计算公式,并以试验数据予以验证。(4)对一座1:10大曲率连续钢弯箱梁桥模型(结构)进行结构受力状态分析,同样引用M-K准则判别结构受力状态特征曲线(广义应变能密度和值-荷载幅值关系曲线)跳跃特征,即判别结构失效荷载,进一步揭示结构工作状态连续失效的演化特征。通过比较单轴屈服应变与试验实测应变,分析连续钢弯箱梁桥的屈服发展过程,揭示试验桥梁模型在失效点前后的屈服行为,以及结构在一定程度的塑性积累后于弹塑性阶段的某个时刻失效特征。根据试验桥梁模型固有的弯曲和扭转特性,用截面平均挠度和截面内外侧挠度差来建立钢弯桥中弯曲和扭转两种受力状态子模型,揭示桥梁模型受力状态子模型之间的分支岐变特征。进而,根据受力状态子模式之间的发展趋势性和敏感性分析,来深化结构协调工作性能的概念,并由该概念引出的GSED比值来表征结构的能量分布模式,尝试反映结构各子部分的协调工作性能。(5)构造出符合模型物理特性的数值形函数,以实验数据为权重、以数值形函数场为基向量的线性组合来对实验数据进行插值拓展。在引入常规有限元模拟的结果作为基本构形后,用数值形函数对其进行调整,建立一种新的试验数据插值方法—状态构形插值法,尝试得到更贴合真实实验场的结果。最后,用该方法对截面实测应变数据进行拓展,获取截面的插值应变数据场,再通过材料本构和数值积分导出截面应力场,得到截面轴力和弯矩子模式,验证结构失效的概念和相应的受力状态特征。以上几种典型结构的承载过程受力状态特征分析,揭示了不同结构型式、不同结构破坏形式共性特征,即结构受力状态突变特征,是系统工作状态从量变到质变自然规律的体现。这些成果丰富发展了结构受力状态分析理论与方法,可以对各种结构应用结构受力状态的建模方法与结构受力状态特征判别准则来确定结构失效荷载,这意味着找到了统一结构失效判定准则、给出了初步的结构内部协调工作性能研究方法,若将其应用于结构设计规范,将使结构设计更趋合理,甚至可能促成或贡献于高等结构设计基础和规程。