疲劳是钢材的固有问题。美国土木工程师协会的统计表明,80-90%的钢结构失效与疲劳有关。钢桥大量存在于我国公、铁路交通,随着服役时间的增长,这些桥梁的疲劳问题逐渐凸显。因此,对既有桥梁的疲劳损伤及剩余使用寿命进行有效评估有助于保证它们的服役安全,进而确保交通运输网络的正常运转。另一方面,我国铁路正在实行“高速化、重载化”的发展策略。迄今为止,铁路部门已实行了六次大面积提速,并建成了全世界最大的高速铁路运营网。随着列车速度的提高、轴重及运量的增大,列车与桥梁的耦合动力效应更加显著,同时也加剧了桥梁的疲劳荷载效应,进一步缩短了它们的使用寿命。疲劳应力是进行疲劳损伤和使用寿命评估的基础,对于铁路桥梁,准确计算桥梁构件在列车作用下的应力响应对于提高疲劳评估结果的可靠性具有重要意义。为考虑列车与桥梁之间越来越显著的动力相互作用,有必要建立较以往更为精细的分析模型以准确求解桥梁构件的疲劳荷载效应。为此,本文建立了基于车桥耦合振动的桥梁动应力分析方法和疲劳性能评估框架,探讨了列车速度、轨道不平顺、横向振动、交通演变等对桥梁疲劳应力、剩余使用寿命及疲劳可靠性的影响。主要工作及创新之处如下：(1)移动列车荷载引起的桥梁共振和消振机理以及二者之间的关系将列车荷载简化为一系列移动集中力,推导以自由振动表达的简支梁振动响应解析表达式。提取共振及二类消振效应的临界车速计算公式,其中第二类消振现象为首次揭示。较彻底地阐明了共振与消振的发生机理,并研究了二者之间的关系,提出了新的共振消失发生条件的数学表达式。以高速铁路简支梁桥作为算例,对理论分析进行了验证。计算车速-动力系数曲线,阐述了列车速度对桥梁动力效应的影响,为本文后续研究内容提供参考和基础。(2)基于车桥耦合动力分析的桥梁应力计算方法采用多体动力学理论建立三维车辆模型,以有限元法建立桥梁模型并通过直接刚度法建立其运动方程。结合轮轨相互作用模型,建立车桥系统运动方程并求解得到桥梁节点位移时程。在此基础上,根据弹性有限元理论,进一步求解桥梁单元动应力。所提出的基于车桥耦合振动的应力计算方法充分考虑了列车与桥梁之间的动力相互作用,相比传统方法能够更加准确地计算列车作用下桥梁的动应力响应。以一座80 m客运专线钢桁梁桥为例,采用所提出的方法分析了桥梁杆件的应力响应,并探讨了不同类型杆件的应力放大系数。(3)列车作用下桥梁应力响应计算方法的比较及试验验证利用朔黄铁路南排河混凝土T梁桥及京通铁路白河大桥的实测应力(应变)数据对本文基于车桥耦合振动的方法进行了验证,并与既有的静力影响线法及移动集中力法进行了比较。采用上述三种方法计算不同行车速度下桥梁应变响应,分析了车速对动应变的影响。将代表不同轨道条件的不平顺样本作为车桥系统激励,计算桥梁动应变,研究了轨道不平顺对应力响应的影响。对比考虑与不考虑横向振动的杆件应力时程,探讨了列车横向加载及桥梁横向振动对应力响应的影响。阐述了本文所提方法、静力法、移动力法的精度及适用性,进而为它们的工程应用提供参考。(4)考虑车桥耦合振动效应的桥梁疲劳损伤与剩余寿命评估将车桥耦合振动理论引入桥梁疲劳分析,建立了考虑列车与桥梁之间动力相互作用的桥梁疲劳损伤及剩余寿命评估框架,为既有桥梁的疲劳评估提供了新的方法和思路。采用所提出的基于车桥耦合振动的方法计算桥梁构件疲劳应力,进而确定其荷载效应。建立以等效应力幅表示且适用于单、双斜率S-N曲线的疲劳损伤程度统一计算公式,结合桥梁历史交通荷载,进一步估算桥梁剩余使用寿命。以京通铁路白河大桥为工程背景,对其进行疲劳损伤分析,预测关键杆件的使用寿命,并研究列车速度、轨道平顺性及横向振动对桥梁疲劳寿命的影响,揭示了车速与轨道不平顺对疲劳性能影响的耦联效应。(5)基于车桥系统随机振动的桥梁疲劳可靠性分析提出了一种基于车桥系统随机振动分析的桥梁疲劳可靠度评估的新方法。选取对疲劳累积损伤有显著影响的列车速度及轨道不平顺为基本随机变量,对车桥系统进行随机振动分析,进而确定疲劳构件等效应力幅及其循环次数的概率模型。采用S-N曲线法建立疲劳极限状态函数,视临界疲劳累积损伤指数、S-N曲线疲劳细节常数、等效应力幅及循环次数为极限状态函数的随机变量,利用蒙特卡洛法求解疲劳可靠度指标。以京通铁路白河大桥为例,对其关键纵梁的疲劳可靠性进行分析,并研究了列车速度、轨道不平顺、截止应力水平及未来交通演变等因素对疲劳荷载效应概率模型及疲劳可靠度的影响。