水泥混凝土路面以其高强度、良好的稳定性和耐久性及施工便易、养护费用少等优点得到了广泛的应用。随着国家西部及东北地区建设的深入开展以及多年冻土地区路网密度的不断提高，复杂气候环境条件下以及不良地质地段路面早期破坏问题日渐突出，直接影响到公路的使用性能，增大了公路维护工作量，深入开展多年冻土地区路面理论研究迫在眉睫。针对多年冻土地区气候及地质环境特点，就水泥混凝土路面板内应力及破坏模式进行分析，对完善水泥混凝土路面设计理论，提高水泥混凝土路面使用性能，降低维护费用，具有重要意义。本文以ANSYS有限元分析软件为主要工具，其研究内容包括以下几个方面：（1）建立东北多年冻土地区水泥混凝土路面结构热交换数学模型，并分析该地区混凝土路面的最大温度梯度；（2）考虑外界气候条件对混凝土路面结构应力的影响，利用有限元分别对四边自由混凝土板和设置传力杆混凝土路面在最大负温度梯度条件下的最大拉应力和翘曲变形进行计算分析；（3）模拟分析不同施工季节和不同浇筑时间对路面结构温度梯度及早期应力的影响；（4）计算分析行车荷载与最大温度梯度共同作用时对路面性能的影响，讨论分析最不利荷载位置和各设计参数对纵向最大拉应力及板角位移的影响，并提出该地区水泥混凝土路面的破坏模式和正常使用寿命；（5）结合随机有限元和结构可靠度理论，探讨水泥混凝土路面设计可靠度设计方法。通过研究得到以下结论：（1）采用混凝土路面热交换数学模型对路面温度场模拟计算结果可以满足工程精度要求，给出了以最大负温度梯度作为该地区混凝土路面设计温度标准值的依据和推荐值；（2）在接缝处设置传力杆能有效地降低路面板的翘曲变形，提高路面板的平整度和减少错台现象，但纵向最大拉应力也会有所增加；（3）为了减小混凝土路面结构的自身初始翘曲应力，应尽量避免在夏季炎热中午时段进行混凝土浇筑，秋冬季施工时应采用一定保温措施防止混凝土路表出现早期开裂；（4）在负温度梯度和行车荷载综合作用下，混凝土路面容易出现自上而下的横向开裂破坏，并由最大拉应力估算出路面正常使用寿命为4年左右；地基不均匀融沉在路面板中会引起较大的附加应力，降低路面使用寿命；（5）结合随机有限元和结构可靠度理论的方法能够有效地解决路面设计中的各种不确定性；（6）减小施工过程中水泥板厚度的变异性和提高基层稳定度能有效地提高混凝土路面的使用寿命。