随着水利水电事业的迅速发展和工业生产水平的日益提高,水工钢闸门的规模越来越大,新型结构不断涌现。国内在建和运行的大批水工钢闸门其孔口面积,工作水头与总水压力这三项反映闸门水平的主要指标都达到了很高的量级。由于弧形闸门具有封闭的孔口面积大,闸墩高度小,过水的水流条件较好,启闭迅速,门槽埋件较少,因此,国内外将弧形钢闸门作为泄洪控制的主要门型。但由于闸门装置在水工建筑物的总造价中所占比例大,因此,闸门优化设计是降低造价的有效方法。与其他结构相比,弧形钢闸门结构复杂,而且优化参数和约束条件多,对其进行优化难度较大。对于弧形钢闸门的优化设计,目前国内己经有一些专家学者对其进行了研究,并取得了较好的结果。但是,这些优化方法一般是对已经布置好的型式进行断面和尺寸的优化,缺少对闸门合理传力结构的布置优化,造成闸门工作时产生多余应力以及整体结构材料浪费。在结构拓扑优化过程中,结构分析和优化模型以及设计空间、可行域都在不断的变化,而且拓扑变量(逻辑变量)的0-1特性造成了问题的不连续性和不可微性。它与传统结构优化方式不同,不仅是结构几何外形的优化,而且是在结构几何参数(材料特性、求解域、边界条件和外载荷等)确定的前提下,根据要求以节省的材料用量百分比表达,求出结构变形能最小(刚度最大)的材料几何分布形式。结构拓扑优化技术的本质是利用能量原理,求出给定条件下使结构刚度最大的最优材料分布模式,也即是最理想的传力途径。基于这个思想,采用拓扑优化的方法,选定设计域、边界条件和外荷载,用现有的一些拓扑优化理论设计出合理的传力结构,以确定合理的弧形钢闸门型式。本文在拓扑优化过程中,以一个典型的拓扑优化过程为例说明钢闸门的拓扑优化,并且以此例为标准,通过改变边界条件及求解域,进行大量的数值优化实验,得出了弧形钢闸门在横向框架和纵向框架上的合理布置参数,使结构既能避免由于跨中弯矩过大而加大截面,节省材料用量,又能使主梁和支臂受力均匀,避免闸门在工作时产生过大的应力差,有助于改善弧形钢闸门的工作性能。最后,本文以一个典型弧形闸门为例进行拓扑优化并对其进行数值分析,以评价拓扑优化成果的可用性。研究表明:1)拓扑优化在结构设计中具有良好的适应性,能对钢闸门进行结构布置优化,为钢闸门结构全局优化设计创造条件。2)以弧门主框架刚度最大为目标函数的结构拓扑优化成果与以弧门主框架支臂端部弯矩为零原则的结构布置成果是基本一致的。尽管两种方案出发点不同,但是,殊途同归,在一定程度上均反映了弧门空间结构的受力机理。3)通过大量数值实验,得到拓扑优化具体结果:在横向框架内,合理悬臂长度应占主梁总长的0.22-0.24之间。纵向框架内,上悬臂合理长度应占纵向主梁的0.37-0.4,下悬臂合理长度应占纵向主梁的0-0.08。