公路交通运输网是国民经济发展的基础,而桥梁结构作为运输网中的控制性工程,屡屡发生因承载力不足导致的坍塌事故。鉴于此,本文围绕桥梁结构极限承载力分析和两层面承载力设计与优化开展了以下工作:(1)建立了桥梁结构常用截面的齐次广义屈服函数。针对桥梁结构中箱型、工字型、圆管、矩形和圆形等常用截面,结合传统广义屈服函数特点,确定了齐次化样本点遴选方法和阶次选取原则,据此建立了常用截面的齐次广义屈服函数,克服了传统广义屈服函数引入弹性模量调整法带来的计算精度问题,为桥梁结构极限承载力分析和设计奠定了构件安全评价基础。(2)建立了桥梁结构极限承载力分析的弹性模量缩减法(EMRM)。基于桥梁结构常用截面齐次广义屈服函数,定义了构件的单元承载比,建立了动态自适应识别结构高承载单元的方法,根据变形能守恒原则建立了可模拟桥梁结构损伤演化过程的弹性模量调整策略,据此求解桥梁结构极限承载力,克服了传统弹塑性方法和弹性模量调整法存在的精度与效率问题,并成功应用于桁架桥、下承式拱桥和空间钢管混凝土桥梁结构的极限承载力分析中,为桥梁结构承载力设计与优化提供了高效可靠途径。(3)提出了桥梁结构两层面承载力设计和优化方法。研究确定了构件承载力和整体承载力的安全系数;提出了相应的构件截面强度调整公式;通过定义构件承载比建立了构件承载力与整体承载力间的关系,提出了调整构件截面强度和结构整体承载力的定量设计方法;建立了结构优化的均匀承载准则,以结构构件和整体两层面承载安全为约束条件,在充分考虑结构内力重分布影响的基础上,通过准确识别结构优化的目标构件,建立了桥梁结构两层面承载力优化方法。(4)通过两层面承载力设计方法与现行结构设计方法对比分析,结果表明,本文方法可基于EMRM迭代首步结果开展构件承载力设计,基于迭代过程识别高、低承载构件,基于迭代末步结果开展结构整体承载力设计,实现了构件层面和结构整体层面的承载力协调一致,满足了结构二层面安全性要求,克服了现行设计方法难以定量设计结构整体承载力的缺陷。