钢-聚氨酯复合材料正交异性桥面板(本文简称SPS正交异性桥面板)是一种新型桥面结构,由聚氨酯弹性芯层与顶底两层钢面板内表面牢固粘结而成。该结构能够大大降低传统正交异性钢桥面板焊缝疲劳开裂病害,且在国外已应用于新建、修复以及加固等工程领域,而在国内工程应用则极少,更不用说大跨度桥梁。尤其对于自锚式悬索桥来说,钢箱梁本身受到强大的纵向压力,而处于正弯矩区段的钢桥面板受到的纵向压力则更大,钢桥面板很容易发生应力集中现象,进而导致结构疲劳开裂或屈曲。为此,本文创新性地尝试将SPS正交异性桥面板应用于自锚式悬索桥工程中,采用多尺度建模法进行研究分析,探索出新型且性能更优异的桥面板替代方案,主要所做的研究工作如下:(1)依托淮河公路自锚式悬索桥工程建立全桥模型,确定并提取受力最不利钢箱梁节段用以精细化建模,随后对比分析传统桥面板钢箱梁模型和三种不同参数设置的SPS模型的应力和挠度。结果表明:SPS模型在纵向和横向上的抗弯刚度都显著提高;SPS1模型可作为往后研究SPS正交异性桥面板用于修复加固工程的重点构造形式;聚氨酯芯层的应力扩散作用使得桥面板应力分布更均匀,减缓了应力集中现象。(2)建立了SPS正交异性桥面板参数化模型,计算分析八大结构参数变化时局部应力和挠度的影响规律,分析结果表明:钢面板以及聚氨酯厚度都能较好地改善SPS正交异性桥面板的局部力学性能;U型纵肋的开口宽度和高度变化分别有利于纵向应力和横向应力改善,但都无法同时改善纵横向应力;U型纵肋厚度变化对除本身外的结构局部力学性能影响很小;相比传统桥面板,SPS正交异性桥面板刚度的提高可减少纵向加劲肋的数量,从而减少焊缝和横隔板的挖空数量;横隔板间距的变化可显著改善结构挠度;吊索节间数增加至4节后的力学性能变化差异很小,故吊索节间数不宜大于4节。(3)基于弹性屈曲分析,考虑几何、材料双重非线性以及初始几何缺陷等因素的影响,分析结构参数对SPS正交异性桥面板稳定承载力的影响规律,分析结果表明:钢面板厚度的增加可显著提高稳定承载力;聚氨酯厚度的增加虽可提高桥面板的稳定性能,但不宜单纯通过增加聚氨酯厚度来改善稳定性能;纵肋数量和高度的增加尽管都可提高稳定极限承载力,但当参数增加到一定值后其造成的影响逐渐减小。故可适当减少纵肋数量(即增大纵肋间距),进而减少焊缝数量,从根源上削弱桥面板细节疲劳问题。(4)基于ANSYS优化模块,详述结构优化设计的原理,包括其数学模型以及在ANSYS程序中的实现过程与步骤。随后分析比选三种优化设计方法下的合理设计序列,并最终得到依托工程的最优SPS正交异性桥面板方案,为往后该结构应用于自锚式悬索桥等大跨度桥梁提供必要的参考。