经济和社会的发展使得人们对工程结构提出了越来越高的要求,结构设计需要考虑越来越多、越来越复杂的因素。满足要求的设计不但应该实现所有预定的功能,还必须保证结构安全可靠,以及尽可能的经济合理。传统的设计方法已经难于解决这样复杂的问题,需要发展更先进的结构设计方法。结构优化方法是帮助工程师改进设计、优化设计的有力工具,利用结构拓扑优化还可以获得创新设计。结构优化理论和方法经过几十年的研究已经取得长足进步,并在结构工程领域得到一定程度的应用,但是对于复杂的工程设计问题,结构优化方法在实际应用中仍然面对诸多困难,研究适用于复杂工程问题的结构优化方法具有十分重要的意义。本论文围绕自动分组遗传算法的改进及在结构工程中的应用开展了一系列的研究工作。在理解遗传算法基本理论的基础上,结合自动分组遗传算法的特点,本文提出了多项改进措施,并通过数值算例验证了它们的效果。论文精心选择需要发挥遗传算法优势求解的三类问题进行研究,即：高层建筑结构选型优化；设计变量离散、约束难以用连续函数表达、分组要求很高的桩基优化问题；频率约束下刚架结构拓扑优化问题,由于可行区不连通,最优解可能奇异,这一问题本质上是离散优化问题。针对问题特点,精心选择设计变量和约束条件,建立合理的优化模型,采用适当的优化方法是本文的主要研究特色。具体研究内容如下：(1)基于遗传算法的基本理论和自动分组遗传算法的特点,本文提出自动分组遗传算法的三项改进措施,即：控制精英策略、分段交叉操作和自适应惩罚函数。不同于一般遗传算法只将当前种群的最优个体作为精英,控制精英策略使用精英种群的概念,且精英种群内个体由之前各代种群中的多个最优个体组成。精英替换可根据当前种群的质量,按照给定的替换原则,自动确定植入精英个体的数量。控制精英策略能够快速消除种群中严重违反约束条件的个体,减少较严重违反约束的个体,控制轻微违反约束的个体,避免了质量低劣(约束违反严重)的个体对算法收敛的不利影响。分段交叉操作能够保证分组染色体和构件染色体同时参与交叉操作,提高了算法探索新模式的能力,有利于优秀个体的产生。自适应惩罚函数能够根据每代种群中个体约束条件的违反程度自动确定每个约束的惩罚因子,使得惩罚尺度较合理,特别是对于约束违反很小而目标函数优良的个体,利用本文的惩罚函数能够使它们在后代种群中得到适当保留,有利于提高算法寻优的效率。5个函数优化标准考题和两个结构优化算例验证了三项改进措施的效果,并表明改进的算法比原方法具有更高的计算效率。(具体内容见第二章)(2)改进的自动分组遗传算法用于研究高层建筑结构体系优化问题。根据高层建筑结构的特点,结合设计中的主要约束条件,本文提出综合结构体系优化和构件尺寸优化于一体的高层建筑结构优化模型。采用精心构造的设计变量和5条相关假设,本文提出的优化模型能够覆盖框架、框架-剪力墙,巨型结构三种体系,以往研究未见这方面的工作。优化模型以结构总材料用量为目标,选择强度、刚度等结构设计要求和构造、分组等非结构设计要求作为约束条件,采用自动分组遗传算法分别研究6层、10层、40层三种不同高度建筑的最优结构设计,计算结果表明,在相同外荷载条件下,三种高度建筑具有不同的最优结构体系。(具体内容见第三章)(3)改进的自动分组遗传算法用于研究桩基础在初始设计阶段的优化设计问题。文中首先提出包含桩长、桩直径、桩数和桩布置形式四种因素的桩基础模块概念,具有相同特征参数的模块可集中到一起,组成一个模块包,并由一个设计变量表示。在此基础上,本文建立了桩基础优化的数学模型,定义桩基础最少材料用量为优化目标,选择桩基承载力、桩身承载力、整体沉降、差异沉降、软弱下卧层校核、基础偏心以及桩分组等多个实际设计要求作为约束条件。自动分组遗传算法求解上述优化问题,克服了设计变量离散、约束函数不连续、桩基础分组等困难,实现了桩基础布局与尺寸的协同优化设计。文中通过一个简单算例说明了提出的优化模型和采用的优化方法的效果,进一步通过一实际桩基础优化问题,表明上述方法在实际应用中具有很好效果。(具体内容见第四章)(4)改进的自动分组遗传算法用于研究杆系结构频率约束下最小重量拓扑优化设计问题。基于杆系结构频率优化的研究结果,文中首先指出,有限元分析中选择桁架模型或刚架模型模拟杆系结构对优化结果有比较大影响。桁架模型由于无法考虑杆件弯曲振动的影响,导致最优设计中往往存在很多局部弯曲振动频率不满足要求的细杆。刚架模型恰当的反映了杆件层次上的局部弯曲振动频率,避免了上述问题。对于局部弯曲振动影响结构性能的情形,建议采用刚架分析模型进行结构优化。文中进一步指出,带有频率约束的刚架拓扑优化存在奇异最优解和可行域不连通的困难,基于基结构的连续优化方法处理此类问题难以获得奇异最优解,为克服这些困难,本文采用自动分组遗传算法进行求解。文中两个算例的计算结果表明,基于桁架模型的最优结构由于忽视了杆件层次上局部弯曲振动的影响,使得优化结果在刚架模型模拟下出现严重违反约束的现象。相比之下,基于刚架模型的优化能够避免上述问题,并获得奇异最优解。文中还给出了两个算例序列线性规划(SLP)的优化结果,它们都无法收敛到奇异最优解。(具体内容见第五章)(5)改进的自动分组遗传算法用于研究刚架结构频率约束下最优拓扑的对称性问题。由于该问题具有设计域不连通以及奇异最优解的特点,因此文中采用自动分组遗传算法来获得奇异最优解。基于文中给出的两个刚架结构拓扑优化标准算例,本文研究表明,满足对称性初始条件(几何特征、材料属性、以及边界支撑条件均对称)的刚架结构在频率约束下的最优拓扑可以是不对称结构。文中分析了不对称最优设计产生的原因,指出由于作用在结构上的惯性力与结构运动状态(加速度)相关,不满足对称条件,导致频率约束下的刚架结构拓扑优化问题完全可以产生不对称的最优设计。(具体内容见第六章)在论文工作初期,2008年,发生汶川地震,本人在导师指导下积极参与了建筑抗震加固的研究,提出了面向农村建筑的锚固拉结加固方法,并完成论文一篇,因其研究内容和本文的主要工作有所不同,作为附录列入本论文中。希望能够反映本人学习和掌握结构工程知识的一个过程。本论文工作得到国家自然科学基金(编号：50878038,90816025)的资助,在此表示感谢。