随着我国交通事业的飞速发展，大跨度桥梁得到桥梁设计者的重视。斜拉桥是大跨度桥梁的典型形式。主梁是斜拉桥的主要承重构件之一，主梁的断面构造型式，对整个体系的受力性能、行车条件、经济效益等都有直接的影响。因此，主梁的设计和安全在全桥中占有举足轻重的地位。然而由于斜拉桥是高次超静定结构，受力条件复杂，所以对其进行结构设计比较困难。设计时一般根据经验拟定初始结构尺寸，进行多次试算取得满足条件的结构形式，所得结果往往并不是最优设计。因此，结构的优化设计对提高斜拉桥的设计质量显得非常有意义。本文结合军山长江大桥，采用通用有限元软件ANSYS，利用APDL语言对斜拉桥主梁进行横向拓扑优化、纵向形状优化和尺寸优化等三个层次上的研究。主要内容有：(1)以应变能为准则，建立大跨度斜拉桥双方向渐进结构优化设计模型。针对计算中发现的奇异性，提出动态删除率思想。应用ANSYS软件的APDL语言研制了斜拉桥结构优化设计软件。算例表明本文方法不仅保证了结构拓扑优化迭代的收敛性，而且收敛速度快。(2)本文提出基于应变能准则的双方向渐进结构优化方法，对斜拉桥主梁进行了横截面拓扑优化研究。算例证明了闭口箱形截面是大跨度钢斜拉桥主梁的最合理的截面形式；也证明了该双方向渐进结构优化方法的实用性、可行性。且具有删除体积比高、最优拓扑清楚、对网格精度不存在明显依赖性等优点。(3)根据横截面拓扑优化的结果，确定主梁横截面拓扑，建立考虑壳、梁和索单元的斜拉桥形状和尺寸优化设计模型，对斜拉桥主梁进行了纵向的形状和尺寸优化。目标函数为主梁应变能最小。研究发现，纵向肋板的间距和位置对顶板和底板的应力和位移有很大的影响。肋板间距过大，会加大项板、底板和肋板的厚度，使结构不合理，而间距过小又会给施工带来不便。(4)因为形状和尺寸优化采用的是空间计算模型，所以优化时还必须进行斜拉索的成桥索力优化，形状和尺寸优化与索力优化分层进行。研究表明：随着优化的进行，索力整体上有一定的减小，索力分布趋于均匀。