随着结构优化设计理论与方法的发展,拓扑优化逐渐成为结构优化领域的研究重点与难点,相应的优化设计方法也在不断进步,渐进结构优化方法(ESO法)是一种很有前景的结构拓扑优化方法。研究和完善这一方法,考虑设计相关荷载作用下结构拓扑优化,并将其引入水利工程结构设计是非常有意义的一件工作。本文针对渐进结构优化法存在的部分问题以及水工结构设计的实际需求,进行了渐进结构优化法、设计相关荷载作用下结构拓扑优化及其水利工程优化设计应用的研究。主要研究内容如下:为了改进传统渐进结构优化法在优化过程中数值不稳定、容易出现棋盘格现象的情况,分析有限元结点应力的获取方式和传统方法的灵敏度再分配思想,提出了一种改进的渐进结构优化法——基于结点应力的渐进结构优化法,其包含单向与双向两种进化形式。借助Michell型结构和一端固支悬臂结构两种典型拓扑优化算例,证明了提出方法的可行性与有效性。在优化过程中将荷载大小以及作用位置发生改变的情况纳入考虑,研究了优化过程中荷载面发生改变后相应的演变识别与加载,通过ANSYS自带的APDL语言编程实现了荷载面的自动识别与演变;将该程序运用到雪荷载、填土荷载和水荷载作用下结构拓扑优化中,所得结果合理有效且与对应的合理拱轴线契合度较高,证明了程序的可行性,扩大了基于结点渐进结构优化法的使用范围。将基于结点应力的渐进结构优化法与荷载面自动识别、加载技术相结合,运用于水工结构的拓扑优化中。通过对露顶式弧形钢闸门框架结构的拓扑优化得到了较为理想且符合设计经验的框架构型,与此同时丰富了闸门宽度较长时框架构型的设计思路。对拱坝拱圈平面的拓扑优化得到了合理有效、应力均匀的等厚度圆弧状拓扑构型。在重力坝断面的拓扑优化中,编程避免了非设计区域的设置,所得拓扑构型在满足水利设计规范要求的同时更接近全局最优解;通过坝底结点应力分析更加细致的研究了坝踵和坝趾的应力集中现象。研究结果表明,本文提出的方法在上述水工结构的拓扑优化设计中取得的构型较为良好、贴合实际。此外程序的适应性良好,具有一定的实际运用价值和较广的运用范围。