近年来,多塔连跨悬索桥的研究和应用得到了国内外学术界和工程界的广泛关注。现阶段针对多塔连跨悬索桥的研究大多集中于桥梁整体的抗震、风致振动以及车桥耦合振动分析等方面,主要侧重于桥梁整体或钢箱梁结构的安全性设计与评价,而荷载和桥梁结构共同作用下钢桥面铺装层的力学响应特性亟待阐明。本文依托国家科技支撑计划项目“超大跨连续大柔度桥道系结构行为特性及其铺装关键技术研究”(2009BAG15B03),以泰州长江公路大桥为研究对象,研究了随机车流荷载作用下多塔连跨悬索桥钢桥面铺装体系的力学行为特性,采用数值模拟和试验测试,获取了多塔连跨悬索桥正交异性钢桥面板与铺装复合体系在随机车流荷载作用下的力学响应行为规律,进而对多塔连跨悬索桥钢桥面铺装体系的结构参数设计提出了建议。首先,对现有公路桥梁随机车流统计分析方法和预测原理进行了系统梳理;结合泰州长江大桥交通量预测数据和江阴长江大桥实测数据的统计分析结果,确定其车型符合双峰正态分布,车重符合极值I型分布,车间距符合指数分布;基于蒙特卡洛方法,借助MATLAB软件编制了公路桥梁随机车流荷载模拟程序,构建了泰州长江大桥的随机车流荷载模型。随后,建立了泰州长江大桥整桥有限元数值仿真模型;通过与泰州长江大桥设计文件模态分析结果的对比分析,验证了所构建模型的可靠性。将模拟获得的随机车流荷载加载到多塔连跨悬索桥整桥模型上,对比分析了随机车流和规范荷载作用下泰州长江大桥桥面铺装体系应力响应行为。与单跨悬索桥相比,中塔的存在使多塔连跨悬索桥结构整体刚度变小,基振频率较小;中塔位置处是铺装层的弯矩受力最不利位置,其负弯矩(主梁上部受拉)最大值较公路-I级荷载作用下小32.54%;在桥端和中塔处是扭矩响应敏感区域,随机车流荷载作用下最大扭矩幅值较公路-I级荷载作用下大38.34%。通过多种极端工况的验算,获得了随机车流作用下钢箱梁受力的最不利位置是中塔附近,其应力大小作为研究随机车流荷载与桥型共同影响下的钢桥面铺装层力学响应的基础数据。接着采用“整桥-局部箱梁段-正交异性板”多层次数值模型,通过边界条件和荷载的等效转换,建立了考虑随机车流和多塔连跨悬索结构整桥效应的钢桥面铺装复合结构精细化有限元模型。其中,局部梁段模型建模采用了混合单元法,分析讨论了存在外部应力的边界条件下铺装层对于钢箱梁受力的影响、弯矩及扭矩对局部梁段应力响应的影响、随机车流荷载及规范荷载对局部梁段力学响应的影响等关键问题,对比分析了泰州长江大桥和其它单跨悬索桥的钢箱梁桥面铺装层应力响应结果。考虑随机车流荷载和整桥桥型的影响,钢箱梁各应力吊点附近的应力极值增幅约在34%~42%,远离吊点位置应力极值增幅在15%~135%不等。钢箱梁和铺装层设计时需充分考虑随机车流荷载和桥型的综合效应,以避免在负弯矩作用下铺装体系纵向拉应力过大。使用正交异性板小尺度精细化子模型研究了标准双轮荷载和考虑整桥效应轮载作用下的桥面板力学响应,研究了温度荷载对包含初始应力条件的钢桥面铺装层应力响应的影响,研究结果为多塔连跨悬索桥在随机车流荷载作用下力学响应的实体模型试验提供了设计依据。通过考虑应力极值等效的方式,构建了钢箱梁桥面铺装复合结构足尺试验模型;通过荷载与多通道应变、位移测试,研究了钢箱梁桥面裸板在随机车流荷载和同等大小静态荷载作用下的力学响应行为,在此基础上开展的钢桥面铺装复合体系在随机车流荷载和静态荷载作用下的力学响应行为研究表明:不同荷载作用下,钢桥面裸板各检测点的应变响应和变化趋势完全相同,静态荷载作用下的应变值略大;铺装后,钢桥面板应变的响应规律和变化趋势与铺装前基本保持一致,但数值上衰减至铺装前的约1/2。最后,采用正交分析法,通过设置不同的桥面板构造形式和构造尺寸,研究了随机车流荷载条件下桥面系与铺装层结构参数改变对铺装体系受力的影响。在此基础上,以减小铺装层厚度和桥面系的力学响应值为设计目标,建议在多塔连跨悬索桥钢桥面铺装设计时采用随机车流荷载进行加载、采用模量相对较高的铺装材料和抗拉性能好的粘结层材料,避免通过改变顶板厚度的方式改善铺装层应力状态。