正交异性钢桥面在国内外得到广泛应用的同时频繁出现焊缝疲劳开裂,其中以顶板与纵肋连接焊缝产生的纵向开裂最为严重。大量研究者就此问题开展了一系列有特色的工作。其中,新型厚边U肋钢桥面的应用可望改善顶板与纵肋焊缝的疲劳性能,从而探索和推进正交异性钢桥面抗疲劳性能的技术发展。但是,现阶段针对该新型结构的理论与试验研究尚不充分,迫切需要更加深入、系统的研究。基于此,本文着眼于理论、试验和应用三个层面,系统性地开展了厚边U肋正交异性钢桥面疲劳性能研究,涵盖以下三个方面:焊缝疲劳抗力模型研究、车辆荷载下的焊缝疲劳寿命研究和基于使用性能的焊缝动态疲劳可靠性研究。论文主要研究内容包括:(1)为研究新型厚边U肋正交异性钢桥面的疲劳性能,对钢桥面关键易疲劳细节—顶板与U型纵肋连接焊缝开展了对照性试验研究。通过局部足尺模型试件的疲劳加载试验,对常规等厚U肋钢桥面和新型厚边U肋钢桥面进行顶板与纵肋焊缝疲劳强度对比分析,结果表明,无论以名义应力或热点应力来看,厚边U肋均可有效地提高顶板与纵肋焊缝的疲劳强度;此外,通过对两个全节段足尺模型的疲劳试验数据进行分析,进一步验证厚边U肋正交异性钢桥面在工程应用中的有效性。(2)为研究导致厚边U肋钢桥面顶板与纵肋焊缝疲劳强度提升的具体机理,建立了疲劳试验试件的精细化有限元模型,采用等效切口应力法进行焊缝局部详细应力数值分析。所采用数值分析方法的有效性和合理性通过试验数据和网格敏感性测试得到验证;结果表明,在焊接负公差存在的情况下,厚边U肋试件对未熔透厚度的变化相对不敏感,从而增强其顶板与纵肋焊缝疲劳性能的稳定性,进而使得厚边U肋试件具有较等厚U肋试件更高的疲劳强度;此外,分析也表明,在焊接工艺允许的前提下,合理地增加焊缝开口角有望进一步提高厚边U肋钢桥面顶板与纵肋焊缝的疲劳性能。(3)为建立厚边U肋钢桥面顶板与纵肋焊缝的疲劳验算曲线,采用疲劳试验和数值模拟相结合的方法进行大规模疲劳寿命评价和统计分析。首先,在前期疲劳试验基础上进一步对顶板与纵肋焊缝开展疲劳裂纹扩展试验,结果表明:疲劳裂纹在扩展过程中保持近乎半椭圆状;在此基础上建立该焊缝的多源疲劳裂纹扩展模型,该模型考虑了疲劳裂纹由多个裂纹源扩展和汇聚形成主裂纹的机理以及材料参数、初始缺陷和焊缝局部几何形态中存在的不确定性;所建立扩展模型的合理性和有效性通过试验数据得到验证;采用验证后的模型,在短时间内建立了大规模疲劳寿命数据库;对该数据库进行统计分析,推导了顶板与纵肋焊缝的疲劳验算曲线;对比数值分析和试验数据回归分析得到的疲劳验算曲线表明,两者吻合度较好,且数值结果较试验回归值偏保守;基于上述分析,本文建议:对于厚边U肋钢桥面顶板与纵肋焊缝,在采用名义应力法和热点应力法进行分析时可分别采用FAT 85和FAT 110曲线,配合指数常数m=2.89。(4)为研究新型厚边U肋正交异性钢桥面顶板与纵肋焊缝在实际车辆荷载作用下的疲劳性能,选取成都凤凰山高架桥(连续钢箱梁桥),采用随机车流模型建立钢桥面顶板与纵肋焊缝的疲劳应力谱进行疲劳寿命分析。首先,结合顶板与纵肋焊缝的受力特点,对随机车流模型的理论框架进行推导;其后,采用规范建议的荷载模型和交通量建立缺省车流模型,并通过交通实测数据进行修正;同时,提出并建立基于多尺度有限元模型和影响面技术的分析方法,用以计算车辆荷载通过时焊缝处的应力响应历程,有效地提高了求解效率;采用蒙特卡洛方法基于随机车流模型进行抽样,结合所建立的分析方法推导得出不同横向位置顶板与纵肋焊缝的疲劳应力幅谱;结合本文建立的疲劳抗力模型,对等厚U肋和厚边U肋正交异性钢桥面顶板与纵肋焊缝的疲劳寿命进行分析和对比,表明厚边U肋钢桥面的应用能够显著地增加该焊缝在车辆荷载作用下的疲劳寿命。(5)通过建立基于使用性能的多焊缝疲劳可靠度模型,计入焊缝数目对可靠度的影响;针对正交异性钢桥面的疲劳可靠度问题,建立相应的动态贝叶斯网络模型,以实现疲劳可靠度预测、基于观测结果的信息融合和基于检视结果的参数更新;为提高计算效率,所建立动态贝叶斯网络采用离散型随机变量和确切推理方法,且通过并行优化策略对推理算法进行改进;在此基础上,对成都凤凰山高架桥的钢桥面进行疲劳可靠度分析,包括疲劳性能改善影响分析、基于交通观测结果的信息融合、基于焊缝疲劳检视结果的参数更新以及疲劳治理措施影响分析;结果表明,顶板与纵肋焊缝疲劳强度的提升能够使钢桥面疲劳可靠度显著提升,其效果较维修保养和交通管制等后期处治措施更为突出;同时,基于观测车流模型的信息融合表明,交通模型动态变化对疲劳可靠度有非常显著的影响;此外,基于焊缝疲劳检视结果的参数更新说明,所建立的动态贝叶斯网络能够通过检视结果实现自校正,其精度能够通过检视结果的不断输入逐渐得到提高;值得注意的是,适当的维修保养后能够有效地提升钢桥面的疲劳可靠度,但当设计和制造加工水平较差时需投入大量精力才能将其可靠度保持在合理水平上;类似地,交通管制措施可以使钢桥面的疲劳劣化速率得到缓和,进而延缓其疲劳可靠度降低,但其将人为地限制桥梁的使用功能,仅适宜作为维修保养难以开展时的备选方案。在本文研究的基础上,新型厚边U肋钢桥面相关成果现已列入行业标准《桥梁钢结构用U形肋冷弯型钢》,初步成功地应用到成都凤凰山高架桥、北京三元桥改造工程、太原五一路高架桥、湖州五一大桥改建工程、宁波舟山港主通道鱼山桥、北京首都环线高架桥和武汉杨泗港长江大桥等工程。