随着我国社会、经济的不断发展,越来越多的特大跨径、大跨径桥梁得到了应用,与此同时,考虑到我国钢铁产业消化产能与转型升级的需要,政府正大力提倡在特大跨径、大跨径甚至中小跨径桥梁中使用钢结构桥梁。目前,重量轻、钢材利用率大、承载能力强、施工方便且多种结构形式均适用的正交异性钢桥面板已成为特大、大跨径桥梁大量采用的桥面结构形式。然而,大量工程实例也表明,由于其焊接细节构造复杂,焊接过程中极易出现焊接缺陷,在车辆荷载的反复作用下,焊缝处很容易产生疲劳裂纹,该破坏现象已成为正交异性钢桥面板的主要破坏类型。本文在国家“973”项目“特大跨桥梁安全性设计与评定的基础理论研究(2015CB057700)”和自然科学基金项目(51378081,51308071,51308073)的资助下,基于某高速公路钢箱梁悬索桥WIM(动态称重系统)的实测数据,分析了随机车辆参数的概率分布特征。基于约束应力区的概念,建立了疲劳裂纹扩展跨尺度模型。分别采用S-N曲线法、线弹性断裂力学方法和跨尺度模型对正交异性钢桥面板焊缝进行了疲劳寿命和疲劳可靠度分析。主要的研究内容如下:(1)基于约束应力区的概念,建立了三维条件下表面半椭圆裂纹的跨尺度扩展模型。通过疲劳裂纹跨尺度扩展模型正确描述正交异性钢桥面板焊缝的疲劳破坏行为;由于疲劳试验数据具有很大发散性,数值模拟结果表明微观效应对疲劳寿命有很大影响。(2)探讨了S-N曲线和线弹性断裂力学方法的疲劳破坏极限状态方程相关参数的概率分布特征。在此基础上,对疲劳裂纹扩展跨尺度模型的疲劳破坏极限状态方程中各参数的概率分布特征进行了讨论,并给出了各参数的具体取值;根据宏观裂纹作为疲劳可靠度计算的一个随机参数,解决了传统S-N曲线和线弹性断裂力学理论存在宏观裂纹的问题。(3)基于WIM的实测数据,分析了随机车辆的参数概率分布特征,编制了随机荷载模拟程序。选择t-Copula函数作为连接函数,对各车型轴重的相关程度和相关特点均能很好的进行描述,采用非参数核密度估计-Copula构造方法可以较准确的描述车辆轴重的联合分布。(4)分析了路表温度对正交异性钢桥面板焊接细节的应力影响,即进行疲劳分析时,应该考虑路表温度对应力幅的影响,可不考虑对横向分布系数的影响。(5)将轴重相关性和路表温度作为变化原因,分四种情况进行了日等效应力幅的统计分析;考虑路表温度的日等效应力幅,概率密度函数更具有多峰性质,即考虑轴重相关性的日等效应力幅均值比不考虑变大。(6)探讨了运用BS5400和Eurocode 3规范中的S-N曲线进行疲劳累积损伤及寿命分析的差异,得出英国BS5400规范的疲劳累积损伤情况比欧洲Eurocode 3规范的疲劳累积损伤情况严重,疲劳寿命更短;不同焊接缺陷初始尺寸对疲劳累积损伤和疲劳寿命均有较大影响,当焊接缺陷初始深度达到2mm时,该桥疲劳寿命已接近设计年限;在疲劳累积损伤及疲劳寿命分析中,应该考虑轴重相关性及路表温度,否则结果将偏于不安全。(7)基于传统疲劳理论、线弹性断裂力学理论和疲劳裂纹扩展跨尺度模型的疲劳破坏极限状态方程,得出随着初始宏观焊接缺陷占有率的增加,疲劳破坏失效概率也快速增加,疲劳可靠度指标将快速降低。因此,在工程实施过程中降低初始宏观焊接缺陷的占有率,将有力降低疲劳破坏失效概率;考虑轴重相关和路表温度的疲劳失效概率大于只考虑轴重相关、只考虑铺装层温度和两者均不考虑的疲劳失效概率。只考虑轴重相关的疲劳失效概率大于只考虑铺装层温度的疲劳失效概率,说明疲劳失效概率对轴重相关性更为敏感。