索拱结构由索与拱杂交而成，索与拱两种部件抗拉与抗压的力学性能及材料性能得到充分利用，不仅保持了拱结构的优美曲线外形，而且改善了普通拱结构的受力和变形，大大提高了拱结构的整体稳定性和承载力，有助于改善结构的动力特性，因而在大跨空间结构中不断有新的索拱组合形式出现。广州新客站-站房屋盖采用了一种新颖的索拱组合形式——内凹式索拱结构，预应力拉索布置在拱内部，走向同上弦拱一起向上凸起，拱索之间用撑杆相连。本文便以广州新客站为工程背景，对内凹式索拱结构的稳定与振动性能进行了较为系统的理论分析与试验研究。另外对无撑杆内凹式索拱结构的稳定与振动性能进行了理论研究。　　 按布索方式，归纳了两类无撑杆内凹式索拱的构型方法和数学公式，分别称为无撑杆内凹式索拱（等长均布布索、两端辐射式布索）。从忽略主拱轴向伸缩、剪切变形（或撑杆轴向伸缩）的假定出发，基于小变形理论，推导了内凹式索拱结构在径向均布荷载作用下面内弹性挠曲的总势能方程，并推导了无撑杆内凹式索拱结构在径向均布荷载作用下面内弹性挠曲及面外弹性弯扭屈曲的总势能方程。基于能量变分原理，运用Ritz法对径向均布荷载作用下内凹式索拱结构面内的弹性稳定性及无撑杆内凹式索拱结构面内（面外）的弹性稳定性进行了理论分析，编制了求解两种结构的弹性屈曲临界荷载及屈曲模态的计算程序。　　 运用所编程序对内凹式索拱结构的面内弹性屈曲临界荷载及无撑杆内凹式索拱结构的面内（面外）弹性屈曲临界荷载进行了参数研究，并与有限元结果进行了对比。分析结果表明：本文方法及程序具有较高的精度和效率。拱的轴向伸缩和剪切变形对结构的弹性屈曲临界荷载的影响很小，可以忽略不计。内凹式索拱与无撑杆内凹式索拱（等长均布布索）的面内弹性屈曲形式均为反对称屈曲，对于无撑杆内凹式索拱（两端辐射式布索）的面内弹性屈曲形式，多数情况为反对称，其余则为正对称。内凹式索拱及无撑杆内凹式索拱的布索形式对拱结构整体稳定性的提高效果显著。内凹式索拱的面内屈曲临界荷载与无撑杆内凹式索拱的面内及面外屈曲临界荷载均随初始张拉力和索截面积的增加而增加，随拱长细比的增加而减小，但初始张拉力对两种结构面内屈曲临界荷载的影响很小，索夹间距比对内凹式索拱的屈曲临界荷载影响很小。无撑杆内凹式索拱的面内及面外的屈曲临界荷载均随拱矢跨比的增加而先增加后减小。　　 从忽略主拱轴向伸缩、剪切变形（或撑杆轴向伸缩）及转动惯量的假定出发，基于小变形理论，建立了内凹式索拱结构面内固有振动的总机械能方程，并推导了无撑杆内凹式索拱结构的面内及面外固有振动的总机械能方程。基于哈密尔顿原理和变分原理，利用Ritz法对内凹式索拱结构的面内固有振动及无撑杆内凹式索拱结构的面内（面外）固有振动进行了理论分析，编制了求解两种结构的固有振动频率及固有振型的计算程序。　　 运用所编程序对内凹式索拱结构的面内固有基频及无撑杆内凹式索拱结构的面内（面外）固有基频进行了参数研究，并与有限元结果进行了对比。分析结果表明：本文方法及程序具有较高的精度和效率。拱的轴向伸缩、剪切变形及转动惯量对结构固有基频的影响很小，可以忽略不计。内凹式索拱与无撑杆内凹式索拱（等长均布式布索）面内固有振动的第一振型形式为反对称振型，无撑杆内凹式索拱（两端辐射式布索）的面内第一振型形式随拱长细比、拱矢跨比及布索参数的变化而变化，但不受初始张拉力和索截面积的影响。两类无撑杆内凹式索拱面外固有振动的第一振型形式均为对称振型。内凹式索拱及无撑杆内凹式索拱的布索形式对提高拱结构面内固有基频效果显著。内凹式索拱的面内振动基频与无撑杆内凹式索拱的面内及面外振动基频均随初始张拉力和索截面积的增加而增加，但初始张拉力对两种结构的固有基频的影响较小。内凹式索拱面内固有基频随索夹间距比的增加，其变化幅度很小，随拱长细比的增加而减小。无撑杆内凹式索拱的面内固有基频随拱矢跨比的增加而先增加后减小，面外固有基频随拱矢跨比的增加而减小。　　 采用考虑双重非线性的有限元方法对内凹式索拱结构的极限承载力进行了参数研究。分析结果表明：支座形式、矢跨比、撑杆数量、拱截面等因素对结构承载力影响较大；索截面、初始张拉力和初始缺陷等对结构承载力影响较小；其合理的取值范围为：拱矢跨比取0.125～0.2，索矢跨比取0.05～0.1，索截面积取拱截面积的4％～6%，与拱结构相比，内凹式索拱结构的整体稳定性、极限承载力、整体刚度都有大幅度提高，对缺陷的敏感度减低；半跨荷载是结构设计的控制荷载，给出了快速确定初始张拉力的简化计算公式。　　 对广州新客站-站房屋盖采用的内凹式索拱结构的1/3缩尺模型，分张拉成形、4种荷载工况的加载及2种典型荷载工况的极限加载3个阶段进行了静力试验研究。试验研究表明，恒载工况时拱脚推力为零，拱轴线为圆弧的张拉原则可行。设计工况下结构处于线弹性阶段。满跨分布荷载时主拱全截面受压，以受轴压力为主，结构在轴压力最大的拱脚附近破坏，而半跨分布荷载时以受弯为主，对结构整体稳定最不利，结构在主拱弯矩最大的位置破坏。索夹的连接形式及支座的抗推刚度对结构的承载能力影响很大。