正交异性板U肋结构具有自重轻、承载能力大、建造周期短、安装方便等优点,被广泛应用于大中跨度的桥梁中。然而,正交异性板U肋结构疲劳问题较为突出,其中顶板与纵肋连接焊缝是典型疲劳开裂位置之一,且该处裂纹维修检测困难,严重影响结构的安全。针对顶板与纵肋连接细节开展研究,改善结构疲劳性能,是推动U肋结构应用发展的有效途径之一。本文以U肋结构为研究对象,采用疲劳试验与数值分析相结合的方法,从连接细节局部应力集中与疲劳裂纹扩展行为两方面系统研究不同形式U肋连接疲劳性能,本文主要研究内容如下:(1)基于对U肋结构发展现状的研究,对采用U肋内焊技术和单面焊双面成形工艺的两种新型U肋接头与采用单面焊的常规U肋接头进行疲劳试验,采用单面焊双面成形工艺的U肋接头在试验中表现出优良的疲劳性能;(2)建立了顶板与U肋接头三维实体有限元模型,在试件实际开裂位置处引入虚拟缺口应力圆,重点分析焊缝熔透率、单面和双面连接形式、焊缝过渡形式等对焊趾或焊根有效缺口应力的影响,结果表明对于实现双面连接的接头,提升熔透率对改善接头疲劳性能作用不大,可改变焊缝过渡形式,进一步提高疲劳性能;(3)提出一种基于扩展有限元法(X-FEM)和开源有限元软件二次开发的方法来模拟三维疲劳裂纹扩展,该法借助于Code-Aster中类似于Python语言的命令流编写来实现。扩展有限元法采用水平集的方式来表征裂纹,从而无需对裂纹界面进行网格划分,通过水平集更新的方式实现裂纹扩展。同时,采用自适应网格划分算法来细化裂纹前沿网格,可保证裂纹前沿断裂参数计算的准确性;(4)将初始缺陷假设为单个半椭圆形裂纹,从断裂力学的角度对顶板与纵肋连接焊缝疲劳性能进行研究。建立顶板与U肋节段模型,改变初始裂纹沿桥面纵向的位置和初始裂纹形态,研究其对疲劳裂纹扩展行为的影响。数值模拟显示,纵向一定范围内初始缺陷的不利影响程度基本相同,不同形态的裂纹最终会稳定于某一特定形态进行扩展;(5)将裂纹置于顶板内侧和外侧,研究顶板厚度、单面连接与双面连接对顶板与纵肋连接细节疲劳寿命的影响。数值模拟显示,增加板厚和采用双面连接均能降低裂纹最深点和表面点的应力强度因子幅值,减缓疲劳裂纹扩展速率,有效改善顶板与纵肋连接细节的疲劳性能。