我国早期修建的大跨度正交异性钢桥的钢箱梁顶板厚度普遍较薄，通车后不久，钢桥面铺装层均出现了裂缝、推移和拥包等破坏现象。钢箱梁桥面铺装是大跨径桥梁建设的关键技术之一，在不增加自重荷载的前提下提高铺装层的刚度是亟待研究的关键技术问题。本文在国内外对钢箱桥面铺装的研究成果的基础上，针对钢桥面产生病害的主要原因，以不增加自重荷载的前提下提高铺装层的刚度为目的，提出在钢桥面板上粘贴一定厚度的玻璃纤维增强塑料（GFRP）薄板，并研究这种新型的钢桥面复合铺装结构的力学行为。采用ANSYS有限元分析软件，分析了粘贴GFRP薄板后复合铺装层的受力特性。比较不同模量的GFRP薄板对钢桥面铺装层应力、应变的影响；采用已申报专利的层间剪切试验方法对含有GFRP薄板的对称长方体试件进行层间剪切试验，分析了层间剪切性能的影响因素；采用复合梁疲劳试验，研究了粘贴GFRP薄板后对铺装结构疲劳性能的影响，并运用损伤力学理论预测粘贴GFRP薄板的小梁疲劳损伤进程。理论分析与室内试验结果表明，粘贴不同模量GFRP薄板后，铺装层的应力、应变和竖向位移均出现了不同程度的变化；当GFRP薄板与沥青铺装层的接触面为单面铺设粒径2.36~4.75mm粗砂，层间粘结材料为撒布0.4kg/m2改性沥青，施加正压力为0.7MPa，试验温度为5℃时，GFRP薄板与沥青混凝土之间的粘结性能最佳；粘贴GFRP薄板后，沥青混凝土小梁的疲劳寿命延长了7.81倍。通过上述研究，形成了一种耐久性的钢桥面铺装结构。同时，为解决大跨度钢桥桥面板过薄导致沥青铺装层的损坏问题提供了新的思路。