在回顾钢桥面沥青铺装研究的基础上，对钢桥面沥青铺装的力学行为和结构优化设计进行研究。基于通用有限元软件的二次开发技术，完成了箱梁段形式的钢桥面沥青铺装有限元建模工作。通过数值试验结果直观正交法的直观分析和方差正交法的补充分析，确定了钢桥面沥青铺装各力学性能指标(铺装层表面拉应力、拉应变、局部挠跨比、竖向位移以及钢板与铺装层间剪应力等)的关键因素。从工程实践、结构受力特点、试验研究和使用条件等角度出发，提出了钢桥面沥青铺装的力学性能控制指标(或结构设计指标)：一是铺装层拉应力，二是铺装层表面局部挠跨比。由正交数值仿真试验结果，通过逐步线性回归分析建立了单层、双层钢桥面沥青铺装力学性能控制指标的理论计算通式。应用损伤力学方法推导出钢桥面沥青铺装复合结构的疲劳寿命预测公式和轴载换算方法。从钢桥面沥青铺装的实际工作状态出发，结合钢桥面沥青铺装力学性能控制指标计算式和疲劳寿命预测公式，给出了钢桥面沥青铺装结构优化设计数学模型。针对模型离散变量优化设计特点，引入了蚂蚁算法的精英蚂蚁寻优策略。最后，提出了钢桥面沥青铺装结构优化设计的基本方法和思路，并以一个工程实例验证了优化设计方法的可行性和合理性。