钢结构在服役期内抗力受内外因素作用会逐渐衰退,从而影响结构安全,其中腐蚀作用是抗力衰退的重要因素。钢结构的腐蚀问题有随机性强、原理复杂、试验周期长、危害性大等特点,长期以来一直是钢结构全生命周期领域研究的热点和难点。我国钢结构设计规范未考虑钢结构在腐蚀作用下抗力的衰退,从而造成安全隐患甚至是安全事故的发生。因此,亟需针对腐蚀钢材进行全生命周期抗力衰减的研究,通过时变可靠度计算,把握结构性能的动态变化。此外,结构优化问题是工程界近年的热点,而基于全生命周期的时变可靠度指标的优化,由于计算效率问题难以实现。针对以上问题,本文分别从介观、构件、结构尺度,进行腐蚀状况精细模拟、截面属性精确计算、结构时变可靠度高效分析的研究,从而为考虑腐蚀作用的随机性和非均匀性的结构全生命周期优化设计做出前期准备。主要的研究工作如下:（1）提出三维元胞自动机结合遗传算法（CA-GA）的算法,对多地区进行钢材大气腐蚀模拟,提出了适合高精度拟合的大小迭代步结合的迭代规则,并提出裂变机制和潜在腐蚀区域激活机制,解决元胞自动机对于增量递减幂函数的拟合难以收敛以及运算效率低的问题。模拟结果误差均在3%以下,证明了本方法的正确性。进一步通过CA-GA运算结果提出相应的最大深度预测公式,可为腐蚀钢构件的强度分析和穿孔预测提供依据。（2）进行H型钢、圆钢管、方钢管等三种常用型钢截面基于元胞自动机矩阵切面数据的大气腐蚀条件下截面属性理论推导。并通过算例证明本文方法计算出的截面性能与均匀腐蚀假设下的截面抗力性能相比较差,因此在进行结构计算以及结构腐蚀鉴定时应当充分考虑构件腐蚀的随机性和非均匀性来保证其可靠度。（3）针对多层交叉熵方法在时变可靠度问题中难以应用的问题,采用自适应稀薄参数解决了采用二分法或试错法计算稀薄参数的低效问题,进一步结合拉丁超立方抽样的原理提出拉丁超立方——自适应多层交叉熵方法。通过算例证明,拉丁超立方——自适应多层交叉熵方法的收敛速度、精度、效率均有较大提升,且对于失效概率动态变化问题具备稳定性。（4）结合CA-GA算法、截面属性推导以及LH-AMCE算法,提出大气腐蚀模拟条件下半刚性钢框架的精确、高效时变可靠度计算方法,并据此编制计算程序CSST。选取三层半刚性钢框架算例进行可靠度分析,抽样样本数量为1000时,本文方法与10万次蒙特卡洛方法的失效概率计算值的相对误差不超过10%,证明了本文方法的高效性和适用性。