大型自然通风冷却塔是热电厂及其他工业部门的重要设施,主要结构型式为钢筋混凝土薄壁结构与支撑柱。大型自然通风冷却塔在风和地震作用下的安全性能尤为重要。本文以我国某超大型冷却塔为研究目标,分析了风及地震等规范工况下冷却塔的失效模式,在此基础上基于序列二次规划法对冷却塔进行了结构优化设计。主要工作可分为两部分：第一部分建立了大型自然通风冷却塔的有限元模型,并按规范要求利用ANSYS分析了冷却塔的强度失效和屈曲失效两种失效形式；给出了冷却塔在自重、风载、温度组合工况下应力分布图,指出风荷载是冷却塔设计的控制荷载；计算了冷却塔在自重与风荷载不同组合工况下的特征值屈曲和几何非线性屈曲临界风速,绘制了冷却塔几何非线性屈曲荷载位移曲线,给出了特征值屈曲模态以及对应的几何非线性屈曲模态,结果显示内吸力会降低冷却塔的屈曲临界风速；对地震作用下的强度失效进行了分析,指出该冷却塔可抵御抗震设防9度多遇和7度罕遇地震作用。通过失效分析,本文发现这种冷却塔的失效模式主要是风载作用下的强度失效而非屈曲失效。第二部分基于第一部分的内力分析结果,采用序列二次规划法,应用优化分析平台isight对冷却塔分别进行了基于成本和性能的结构优化设计,给出了最优设计序列,结果显示分段等壁厚分布是冷却塔塔筒的最优布局,这种设计既有利于结构承载也方便施工。