缆索是桥梁的安全生命线,起着牵一发动全身的作用。近20年来,我国频发的中下承式拱桥断索事故以及大量的在役桥梁换索案例,使钢索的损伤与健全性评估受到了广泛的关注。腐蚀和疲劳是影响钢索安全性和耐久性的两大因素,但一直以来都缺乏有效的评估手段对这两个因素作用下的钢索服役安全性能做出合理评价。本文以线弹性断裂力学为理论基础、疲劳试验为手段,系统开展了钢丝腐蚀损伤评价、疲劳断裂机理和损伤容限性能分析等方面的研究;在材料研究的基础上,建立了锈蚀钢索残余寿命预测和疲劳可靠性评估方法。论文的主要工作及研究结论包括以下几个方面:1.以两座实桥服役锈蚀钢丝为对象,基于轮廓测量数据对服役锈蚀钢丝的腐蚀形貌进行了表征和分析,建立了服役锈蚀钢丝的最大点蚀评估模型。研究显示,服役锈蚀钢丝腐蚀形貌的尺度指标和自相似性指标随着腐蚀程度的增大而增大,其中自相似性指标随机性较大,与腐蚀程度之间只存在统计意义上的相关性;钢丝最大点蚀深度服从Gumbel极值分布,钢索自由段的点蚀效应比锚固段更为显著。2.对服役锈蚀钢丝以及人工加速腐蚀钢丝进行了不同应力幅的疲劳试验,通过断口分析研究了锈蚀钢丝疲劳断裂机理,提出了锈蚀钢丝疲劳极限、断裂韧度和裂纹形状演化规律的计算方法。结果表明,锈蚀钢丝疲劳寿命具有很大的随机性,蚀坑形貌不是影响钢丝疲劳寿命的唯一因素;锈蚀钢丝裂纹萌生受线弹性起裂阈值条件的控制,Murakami公式对于评估锈蚀钢丝疲劳极限具有较好的适用性;锈蚀钢丝的临界疲劳断裂符合脆性断裂准则;结合断口分析建立的锈蚀钢丝裂纹形状演化模型比既有模型更偏于安全。3.通过板条单边试验裂纹扩展法获取了高强度钢丝中速稳态扩展区以及近门槛区裂纹扩展规律,采用Walker公式建立了考虑应力比的钢丝裂纹扩展模型。鉴于材料不均匀性引起的裂纹扩展深度依赖现象,对同一批次钢丝开展圆棒缺口试样的疲劳试验,通过寿命预测验证了板条试验结果对钢丝宏观损伤容限分析的有效性。在此基础上,对既有冷拔共析钢裂纹扩展特性研究进行回顾,总结了不同试验中关于钢丝疲劳裂纹扩展特性的相似规律,并对相似材料试验结果差异进行了讨论。4.开展了锈蚀钢丝概率损伤容限性能分析研究,从理论和试验两个方面验证了线弹性断裂力学方法对于预测锈蚀钢丝残余寿命的有效性。在此基础上,通过理论和数值研究提出了基于关联失效模拟的锈蚀钢索概率损伤容限性能分析方法,运用该方法对实测锈蚀钢索疲劳寿命进行了估算,结果表明,在未知钢丝疲劳抗力的情况下,概率损伤容限性能分析可以得到偏保守的预测。5.针对锈蚀钢索的服役安全问题,建立了适用于惰性腐蚀环境和时变腐蚀环境的钢索疲劳可靠性评估体系;以中下承式拱桥吊杆为例,探讨了锈蚀程度、荷载等级以及环境恶劣程度对钢索疲劳寿命和服役可靠性的影响。研究表明,惰性腐蚀环境中,钢索的疲劳可靠性因荷载等级不同对腐蚀损伤程度有不同的容忍度,部分受腐蚀损伤程度较轻、荷载等级较低的钢索在常规检测期内仍有一定的安全富余;时变腐蚀环境中,钢索仍以疲劳失效为主,但在钢索总损伤积累的进程中腐蚀损伤的贡献度较大。