大跨桥梁的正交异性桥面板由于构造复杂、焊缝密集、内部缺陷众多和应力集中等问题显著,U肋-顶板和U肋-横隔板焊缝部位易产生疲劳裂纹。在车辆轮载的反复作用下,会加速结构疲劳破坏。本文在总结国内外正交异性钢桥面板疲劳裂纹研究的基础上,在线弹性断裂力学框架内,建立包含钢箱梁典型焊接细节处初始疲劳裂纹的桥梁多尺度有限元模型,基于扩展有限元方法研究裂纹尖端的应力特征和应力强度因子影响线,获得疲劳载荷最不利加载工况以及最易于发生疲劳破坏的焊接部位。采用弹塑性有限元方法模拟焊接残余应力场,考察残余应力对裂尖应力场和疲劳裂纹扩展规律的影响。在此基础上,进一步考察探索裂纹尖端塑性区对疲劳裂纹扩展规律的影响,基于弹塑性有限元理论揭示正交异性钢桥面板典型焊接细节的疲劳裂纹的开裂机理与扩展规律。论文的主要工作及其成果有:（1）采用扩展有限元法对正交异性桥面板典型焊接细节处的静态裂纹进行应力特性分析。首先,建立大跨桥梁的多尺度有限元模型,该模型分别包含了特征尺度为102m的全桥模型,特征尺度为100m的包含顶板、底板、斜腹板、U肋、横隔板的正交异性桥面板的精细化模型,以及特征尺度为10-3m的含初始裂纹的焊接细节的实体模型。采用静力影响线加载的方式研究桥梁在标准疲劳单车模型作用下,U肋-顶板焊缝、U肋-横隔板焊缝的焊趾处和横隔板开孔处等一系列典型疲劳焊接细节处的裂纹尖端的应力强度因子。依据不同细节处的应力强度因子影响线确定单车模型的最不利加载工况,并依据线弹性断裂力学理论判断在最不利加载工况下,典型疲劳细节的裂纹尖端应力场能否驱动初始裂纹扩展。研究发现,在最不利加载工况下,U肋-横隔板连接部位的U肋焊趾处和横隔板焊趾处的疲劳裂纹尖端应力场会驱动初始裂纹发生扩展;（2）采用扩展有限元方法研究U肋-横隔板连接部位的疲劳裂纹动态扩展行为。通过对不同加载工况下,各典型裂纹的应力强度因子影响线获得各类疲劳裂纹的最不利加载位置。鉴于车辆移动载荷作用下,U肋-横隔板连接部位的裂尖应力场可以驱动裂纹扩展且材料未达到屈服,基于Paris疲劳裂纹扩展公式和线弹性断裂力学理论,研究常幅车辆载荷作用下该部位的疲劳裂纹扩展增量和循环次数的定量关系,获得最不利工况下U肋焊趾处和横隔板焊趾处的疲劳裂纹扩展路径和规律。研究发现,U肋焊趾处的疲劳裂纹保持椭圆形状沿初始裂纹面方向扩展,横隔板焊趾处的疲劳裂纹在车辆载荷作用下会发生止裂;（3）建立含焊缝的U肋-顶板和U肋-横隔板连接部位的有限元模型,基于弹塑性有限元方法,建立双线性等向强化模型,通过生死单元技术模拟在双椭球体热源下U肋-顶板和U肋-横隔板焊接细节的温度场,再采用热-结构顺序耦合分析方法,将温度场导入结构分析模型中求解连接部位的焊接残余应力;（4）基于线弹性断裂力学理论分析焊接残余应力场对正交异性桥面板典型疲劳裂纹扩展规律的影响。基于含裂纹的桥梁多尺度有限元模型,通过施加车辆载荷的同时引入连接部位的残余应力场,分析焊接残余应力下典型疲劳裂纹扩展规律,计算考虑残余应力场时裂纹尖端的能量释放率和疲劳裂纹扩展速率,获得正交异性桥面板典型疲劳裂纹扩展情况和焊接残余应力随裂纹扩展重分布曲线。对比不考虑残余应力场疲劳裂纹扩展结果,分析焊接残余应力对疲劳裂纹扩展的影响。模拟结果表明:除横隔板开孔处裂纹,顶板焊趾、顶板焊根、U肋焊趾和横隔板焊趾疲劳裂纹扩展类型皆为复合型裂纹。疲劳裂纹的扩展会导致裂纹面区域焊接残余应力随着疲劳裂纹的扩展而改变,但裂纹面区域最大残余应力均不会达到材料屈服强度。此外焊接残余应力场会增大裂纹面的拉应力,促使单独车辆载荷作用下疲劳裂纹不会扩展的典型疲劳细节产生开裂,并加速了单独车辆载荷作用下疲劳裂纹可扩展的疲劳细节的裂纹扩展速率;（5）考虑残余应力场所造成的疲劳裂纹尖端的塑性区,引入材料弹塑性本构关系,考虑材料弹塑性和裂尖塑性区对疲劳裂纹扩展规律的影响。通过判断裂纹尖端残余应力场的状态,选择不同的疲劳裂纹扩展速率公式分析疲劳裂纹在考虑塑性变形后的扩展规律,获得正交异性桥面板的疲劳裂纹的扩展路径和扩展速率。利用本文的研究方法可以获得在车辆载荷单独作用、残余应力场和车辆载荷的共同作用,以及考虑裂纹尖端塑性区影响时,正交异性桥面板典型焊接细节的疲劳裂纹的扩展规律和扩展速率,可为钢桥面板的抗疲劳性能研究、抗疲劳设计与维护方法以及保障大跨桥梁服役耐久性提供依据。