大跨径钢箱梁桥铺装层的材料选择及结构优化对钢桥的使用性能和耐久性具有重要影响。桥梁铺装层因受重载交通、气候温度等影响,应力分析和变形较为复杂,后期常会产生疲劳裂缝、车辙、分层、拥包和推移等病害。目前对桥面铺装结构的研究多是基于静荷载作用,与受到汽车荷载作用的实际情况不符,且铺装层疲劳研究通常是依靠费时费力的实验手段。因此提出新的分析研究钢桥面铺装结构疲劳损伤的途径和方法来改善大跨径钢箱梁桥的使用性能和耐久性是一个重要课题。本文首先通过研究国内外钢桥面铺装系统力学分析和铺装层材料及结构设计的概况,总结了部分著名钢箱梁桥常见的铺装层损坏类型。根据材料梯度设计原理,以钢箱梁桥的标准截段为基础,利用ANSYS有限元软件建立了刚性与半柔性复合钢桥面铺装结构的三维有限元模型,包括正交异性钢桥面板、横隔板、U肋、底层高韧性轻质混凝土、中层水泥砂浆混凝和上层SMA钢桥面复合铺装结构。在此基础上分析了钢桥面板结构和铺装层厚度对复合铺装结构力学特性的影响,并通过有限元力学计算得到在各种加载数据下,钢桥面铺装系统的剪切应力变化规律和抗剪强度的影响因素。最后使用nCode Design-Life疲劳分析软件,对刚性与半柔性复合钢桥面铺装进行有限元模型的疲劳可靠性分析。基于钢桥的实际工况,确定了整体钢桥段的疲劳类型,计算出该复合铺装结构的S-N疲劳设计曲线,并考虑实际应用情况输入脉冲循环载荷时间和位移周期,对复合铺装结构进行疲劳损伤分析。研究结果显示:荷载行驶速度越低,钢桥面铺装结构层间剪切应力越大;当荷载行驶至横隔板和U肋肋边交界处上方位置时,各层、层间及整体结构的剪切应力最大;各层剪切应力小于1MPa,层间剪切应力为2.83MPa,整体结构的剪切应力值达到8.96MPa,铺装层与钢桥面板之间的层间剪切应力是影响整体抗剪强度的关键;易发生疲劳损伤的复合钢桥面铺装结构的位置和剪切应力最大处相同,即U肋肋边和横隔板交界处,钢板比铺装层更易发生疲劳;整个局部钢桥段的寿命大于106次循环,满足安全需求;最薄弱处的疲劳寿命为1.065×106次,U肋、钢桥面板和横隔板连接处是引起铺装层疲劳破坏的主要原因,改善这些地方的刚度和强度有助于进一步优化钢桥面铺装结构。