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湖南大学邵旭东教授率先提出将具有高弹模和高强度的配筋超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete)层与传统钢桥面结合,二者之间通过短栓钉连接形成轻型组合桥面结构,从根本上解决了传统钢桥面中所存在的两个世界性难题(钢结构开裂以及铺装层破损频繁)。本文在前人已经完成的包括对带闭口肋轻型组合桥面结构和球扁钢肋加劲的钢-UHPC轻型组合桥面结构的研究基础上,提出施工更为便利、传力更为明确、抗疲劳性能更为优越的带板肋的轻型组合桥面结构,并针对其静力及疲劳性能完成了以下工作:(1)以大跨悬索桥洞庭湖二桥为工程背景,基于名义应力法对板肋的轻型组合桥面板方案在局部轮载作用下抗疲劳性能进行分析,结果表明钢桥面中所有疲劳细节的应力幅值均能满足疲劳设计要求。对板肋轻型组合结构方案展开了正、负作用下静力性能试验,结果表明:板肋组合结构方案(12mm面板+14mm板肋)在负弯矩荷载作用下UHPC弯拉开裂应力为14.35MPa;倒T形肋组合结构方案UHPC层弯拉开裂应力为24.5MPa;正弯矩荷载作用下两种栓钉间距(150mm及200mm)的板肋轻型组合结构层间抗滑移性能良好,但栓钉间距的加密能够显著改善层间抗滑移性能。总体而言,板肋轻型组合桥面结构能够满足洞庭湖二桥的工程要求,但安全储备偏低,需谨慎采用。(2)以浙江湖州五一大桥(三跨连续钢-砼混合梁)为工程背景,本文建立了跨中合拢段钢箱梁的局部有限元模型,基于名义应力法对板肋(16mm板肋)及U肋加劲的两种轻型组合结构进行疲劳分析计算,结果表明:板肋及U肋轻型组合结构方案抗疲劳性能均满足规范要求,U肋组合结构方案在纵肋-隔板连接细节(③、④)上的安全储备明显小于板肋组合结构方案,但在细节⑤上的安全储备大于板肋组合结构方案;单一的增加面板厚度并不能够作为解决传统钢结构疲劳问题的根本解决方法,但采用轻型组合桥面结构能够从根本上彻底解决上述问题。(3)针对板肋和U肋加劲的两种轻型组合结构开展相关正、负弯矩作用下静力性能破坏试验,结果表明:负弯矩作用下,板肋轻型组合结构方案一(栓钉间距150mm)中UHPC层开裂应力为15.8MPa;板肋轻型组合结构方案二(栓钉间距200mm)中UHPC层开裂应力为20.lMPa;U肋轻型组合结构方案三(栓钉间距200mm)中UHPC层开裂应力为23.8MPa;正弯矩作用下,板肋轻型组合结构栓钉间距为150mm与200mm的层间抗剪性能均满足工程要求,但栓钉间距的加密能够大大延缓组合梁向叠合梁转变的过程,增大临界荷载。(4)基于五一大桥的板肋轻型组合结构足尺模型负弯矩疲劳试验表明,UHPC层在lOMPa弯拉疲劳应力幅作用下经过500万次循环荷载的作用仍然表现良好,最大裂缝宽度仅为0.09mm,说明UHPC层抗弯拉疲劳性能良好;正弯矩疲劳试验表明,栓钉连接件在承受90MPa应力幅作用下经过50万次循环荷载作用后,未发现任何疲劳破坏现象,层间连接良好,无可见滑移裂缝,此时换算得到实桥中栓钉连接件疲劳寿命已经达到76293万次。同时钢梁加劲肋腹板在193MPa应力幅作用下经历50万次循环荷载作用后发生疲劳断裂现象,按照实桥加劲肋底部设计应力幅40MPa进行换算,预测实桥中加劲肋的疲劳寿命约为5616万次,满足实际工程要求。(5)针对钢结构中纵肋与横梁连接处3个易损疲劳细节③、④、⑤,本文以板肋高度,板肋厚度,横梁厚度和横梁下翼缘板厚度为参数进行优化分析。结果表明增加板肋高度并不能有效改善上述3类易损疲劳细节;增加板肋厚度虽然不能改善④、⑤两个易损疲劳细节,但能够有效降低疲劳细节③处的应力幅;增加横梁厚度虽然不能改善疲劳细节③处的应力幅,但能够有效降低横梁上的两个疲劳细节④、⑤处的应力幅;对于高横梁(如箱梁)的钢结构桥面而言增加横梁下翼缘板厚度对上述关注的3个疲劳细节而言几乎没有影响;