正交异性钢桥面板因具有自重轻、承载力高、安装速度快、适用范围广等优点,在现代大跨度钢桥的建造中得到了广泛的应用。但由于构造的复杂性以及轮载的高频作用,使得该结构的疲劳问题突出,其中以横隔板弧形缺口以及面板-U肋连接处的焊接部位最易出现疲劳裂纹。运营中的正交异性钢桥面板的疲劳开裂问题日趋严重,呈现出了普遍性、早发性、多发性、重复性的特征,已经严重影响到该结构的使用和发展。本文以某立交桥钢箱梁为研究背景,采用理论分析、试验研究和数值仿真相结合的方法,从疲劳寿命评估、构造细节优化、焊接残余应力等3个方面开展了系统研究。本文所做主要工作有:（1）为研究横隔板弧形缺口焊缝端部的疲劳性能,引入了基于主要应力分量和主应力的幅值偏差的多轴疲劳效应评定指标;结合零点结构应力和双参数临界面法建立了多轴疲劳寿命评估方法;开展了足尺模型疲劳试验,并将试验结果与本文所提方法计算结果以及基于名义应力法和热点应力法的计算结果进行了对比。研究结果表明:横隔板弧形缺口处于明显的多轴应力状态,距离焊趾越近多轴受力越突出;疲劳裂纹首先出现在U肋腹板焊趾;在弧形缺口焊缝细节的疲劳评定中,采用基于多轴疲劳理论的双参数临界面法具有理论依据合理的优点,且结果与试验值更加吻合。（2）为探索弧形缺口构造细节与横隔板类型之间的匹配设计,基于子模型技术建立了“双曲率圆弧段结合直线段”型式的缺口的精细化有限元模型,分析了横隔板与横肋上缺口易损细节的应力响应对于轮载位置的敏感性,讨论缺口起始处和自由边等两处细节的疲劳寿命与缺口曲率比和横隔板厚度间的关系。基于多目标约束优化原理,以结构整体的寿命为优化目标、以弧形缺口曲率比和板厚为变量构造相应的优化模型;以弧形缺口起始处和自由边的开裂顺序构造约束条件;采用加权组合法对构造出的模型进行了求解,基于分析结果提出了横隔板和横肋各自优化后的弧形缺口设计参数。（3）为研究面板-U肋连接处焊接残余应力的分布及释放规律,基于热弹塑性法对该焊缝的施焊过程进行了数值模拟,在此基础上采用初应力法实现了焊接残余应力与不同外荷载作用的组合,并提出了沿面板厚度的局部应力分布模型;将循环塑性本构模型Chaboche引入到有限元模型中,讨论了包括加载方式、荷载循环次数、荷载大小及应力比等因素对焊接残余应力释放的影响;通过对计算数据的分析,提出了不同加载方式下以加载应力极值为参数的残余应力释放率预测公式。（4）为研究钢-UHPC轻型组合桥面结构的疲劳性能,制作了两跨双U肋足尺模型并进行了600万次的加载,试验结果证明了UHPC优异的抗裂性以及采用UHPC铺装对横隔板弧形缺口细节疲劳性能的改善。基于可靠性理论和Miner累积损伤模型,对弧形缺口焊接细节的疲劳可靠性进行了评估;参考常见的UHPC铺装层设计方案,研究了UHPC层厚度、剪力钉间距及钢筋网间距对组合结构受力性能的影响。在此基础上,分析了缺口细节的疲劳寿命与UHPC层厚度及横肋高度之间的相关性,并提出了满足横肋缺口构造使用寿命要求的UHPC厚度和横肋高度的建议取值。