结构的分析与优化设计是研究结构问题的两个主要方面。在工程结构应用中,企业或研究者一方面要求结构分析的理论与方法能够精确地反映结构在载荷作用下的响应路径,即结构设计安全性要求;另一方面希望结构的优化方法中能够包含更多的、甚至所有的结构设计参数,以此达到最大的优化收益,即结构轻量化要求。对于离散钢架结构的研究,结构的分析经历了线弹性分析、一阶弹塑性分析、二阶弹性分析、二阶弹塑性分析和高等分析,高等分析已能够真实地反应结构在载荷作用下的位移响应;另一方面离散钢架结构优化经历了形状优化、尺寸优化、拓扑优化和布局优化,布局优化设计已基本能够考虑所有的结构设计参数。钢结构高等分析与高层次的优化设计手段仍然是目前研究的热点问题,但在各自领域已经形成比较丰富的知识体系。本文将能够反映结构真实承载能力的高等分析与高层次的优化方法结合,形成基于结构高等分析的布局优化理念。首先从二阶梁柱单元刚度的表达、非线性坐标矩阵的转换和非线性数值求解三个方面实现并优化整个高等分析的流程,重点研究了二阶梁柱单元刚度表达、构件缺陷单元的表达和数值求解算法;其次将高等分析输出结果极限承载能力和极限位移作为约束条件,实现真正意义上的钢架结构布局优化;最后设计工程实验并联合非线性有限元软件ABAQUS进行详细验证。本文的研究内容主要有:(1)采用自主程序设计法编写钢结构高等分析程序,从二阶梁柱单元刚度矩阵的表达技术、非线性坐标矩阵的转换技术和非线性数值求解技术三个方面阐释并优化钢结构高等分析的整个技术流程。对比了理想二阶梁柱单元与有限元三次Hermmite插值梁单元在横向位移场和扭转位移场表达上的准确程度;推导了带扭转缺陷二阶梁柱单元刚度矩阵的表达,结合国内外钢结构规范和工程实践,将规范中的单波正弦缺陷拓展为单双波正弦缺陷模型,使高等分析的缺陷表达更加通用化;(2)设计了两种常见三肢格构梁和四肢格构柱的5种缺陷模型进行实例验证,分别基于非线性数值迭代算法Newton-Raphson载荷增量控制法和Risk弧长控制法对其进行高等分析,并协同ABAQUS有限元非线性后屈曲分析仿真验证。详细论证了基于二阶弹塑性理论的高等分析两种数值算法在求解格构式钢架缺陷模型中的准确性;(3)在离散杆系类结构的布局优化中,总结了目前布局优化数值模型将工程钢架结构假设为杆单元结构的问题,根据目前钢结构设计规范的理念建立了真实意义上的空间钢架的布局优化数值模型,分析了基于钢结构设计规范的布局优化数值模型的复杂性。将高等分析的两项输出结果极限承载能力和极限位移做为约束条件,建立布局优化的新型数值模型,形成了基于高等分析的布局优化设计理念;(4)在基于高等分析的布局优化设计中,针对布局优化变量空间解的复杂性改进遗传搜索算法GA,提出了可靠拓扑和遗传引导双向控制算法KLGA,该方法一方面将拓扑变量从布局设计变量中分离,以构件重要度评定结构可靠拓扑变量组合,再与设计变量整合。另一方面将结构特有的引导信息加入算法中,为GA提供全局最优解的指引路径;(5)设计了3组8件四肢缀条格构钢架的极限承载能力实验,详细研究了缀条的截面型号、缀条系统的分布形式,载荷的偏心状况对格构柱载荷位移曲线的影响。在实验加载前,按照安装位置详细测量格构柱肢脚和缀条的初始弯曲和扭转缺陷,通过统计分析工程实践中的缺陷数据,说明高等分析中的二阶梁柱单元缺陷表达形式的通用性。加载过程中,测量测试点的载荷位移曲线,协同非线性有限元软件ABAQUS带缺陷结构的后屈曲分析,对基于二阶弹塑性理论的高等分析技术进行验证。综上,本文整合了理论分析,自主计算程序设计、有限元仿真和实验验证多种技术手段,对格构钢框架的高等分析和布局优化技术进行了系统的研究。本文的研究丰富了钢结构高等分析的技术体系,形成了以高等分析为基础的布局优化新理念,对空间刚架的布局优化有重要的指导意义。