长期以来，大型室外文物的结构安全问题一直困扰着文物保护工作者。这主要是由于文物外形多变、结构复杂，人们很难建立其精确的有限元模型从而无法对其结构反应进行数值模拟。此外，常规的试验方法不符合文物保护的基本要求。为了突破文物保护中结构安全问题的瓶颈，本文以世界现存最大的、国家重点保护铸铁文物沧州铁狮子为例，对大型室外铁质文物的安全问题进行了深入的研究，主要内容如下：(1)对铁狮子在现有环境荷载作用下的结构反应进行了现场实测，并提出了一种符合文物保护原则的无损测量方法。实测结果表明现有环境荷载不会对铁狮子安全产生影响。本文所提出的测试方法不仅适用于铁狮子，而且对其它各种类型室外文物现场测试都具有借鉴的意义。(2)提出了基于三维激光扫描建立大型铁质文物力学仿真模型的新方法。通过三维激光扫描获取点云、数据配准、精简及曲面拟合等后处理技术建立了沧州铁狮子三维几何模型，并在此基础上将复杂曲面封闭后进行网格划分，建立了铁狮子有限元模型。同时在参考历史资料的基础上，对铁狮子破损部位进行了虚拟修复。此项工作对恢复铁狮子原始面貌及了解中国古代历史及文化都具有重要的社会意义和人文价值。(3)在考虑裂缝和缺陷的基础上对铁狮子进行了一系列数值分析。由于历史上大量的室外珍贵文物都是在地震和风灾下发生破坏的，因此本文除了对铁狮子进行风荷载以及温度应力作用下的结构反应分析外，还对铁狮子进行了地震反应分析和动力可靠性分析，结果表明在地震和风荷载的作用下铁狮子是安全可靠的。此项研究揭示了铁狮子在灾害荷载下的受力状态，为其安全评定提供重要依据。针对有代表性的裂缝进行了三维应力场分析，结果表明裂缝尖端的应力强度因子远小于材料的断裂韧性，不会发生脆性破坏。进一步对铁狮子在昼夜温差以及季节温差所产生的循环荷载下的裂缝扩展时间进行了估算。(4)由于现有支架布置凌乱且无任何依据，提出了隐藏式的结构加固支撑方案，并对加固后的铁狮子进行了结构反应分析和断裂力学分析，结果表明加固后的铁狮子满足安全的基本要求，且大幅延长了裂缝扩展剩余时间。在此基础上对铁狮子加固方案施工过程进行了模拟，提出了将现有支架与铁狮子整体吊装的施工方案。该加固支撑方案在最大程度上恢复了铁狮子的原貌，对其它文物的加固具有一定的参考价值。