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组合结构桥梁自20世纪50年代后得到了迅速发展，从20m~50m跨径的中小跨径梁桥到跨径近千米的斜拉桥和悬索桥，都有组合梁的应用。早期建造的组合梁桥经过几十年运营，由于受到各种荷载、自然环境作用以及材料本身退化影响，已经出现了不同程度的病害。为解决组合梁桥钢梁腐蚀严重、桥面板易开裂、内部钢筋锈蚀等问题，提出采用耐候钢-UHPC华夫板组合梁的形式来设计和建造组合梁桥，以此改善结构耐久性，提升结构承载能力。本文基于耐候钢-UHPC华夫板组合梁应用于海洋大气中桥梁工程时存在的问题，围绕耐候钢-UHPC华夫板组合梁的抗弯性能及其设计方法开展了以下研究：
1、主要对模拟海洋大气中两种耐候钢(Q420qNH和Q420qNHY)的腐蚀行为和力学性能退化进行了研究，选择低碳钢(Q420q)作为对比。首先，通过中性盐雾试验对比分析了3种钢材在模拟海洋大气中的腐蚀特征。随后，通过拉伸试验，获得了3种钢材的初始力学性能以及力学性能随腐蚀程度的退化规律。最后，通过分析拉伸试件应变场，探究了3种钢材腐蚀试件的力学性能退化机理。结果表明，Q420qNHY表现出最好的耐蚀性，更适用于海洋大气；而Q420qNH并不适用于海洋大气；Q420qNH和Q420qNHY腐蚀后力学性能退化程度类似，均小于Q420q；局部腐蚀加速了断裂截面应变发展，导致伸长率随腐蚀程度增加而减小；耐候钢桥设计时，应同时考虑耐候钢的腐蚀行为和力学性能。
2、主要对模拟海洋大气中腐蚀初期耐候钢锈层在拉应力下的稳定性以及锈层损伤后基体的腐蚀行为进行了研究。首先，通过室外喷淋盐雾试验对耐候钢试件进行了预腐蚀；随后，对腐蚀试件进行静力拉伸，应力施加过程中，捕捉了锈层的失效过程，采集了耐候钢表面锈层的应变场，并对锈层的开裂应力和应变进行了分析；然后对不同程度轴拉荷载作用后的腐蚀试件进行了电化学测试；最后，建议了能够为正常使用极限状态下耐候钢桥耐久性设计提供依据的锈层开裂临界应力和应变。结果表明，经30d室外喷淋腐蚀后，Q420qNH表面形成的锈层比Q420qNHY具有更强的黏附能力；随拉应力增加，耐候钢呈现加速的腐蚀过程；取0.9倍和0.8倍屈服强度作为Q420qNH和Q420qNHY表面锈层开裂临界应力是合理的。
3、提出了一种基于三维元胞自动机(3D CA)的模拟大气中耐候钢腐蚀演化过程的方法。模拟过程包含了基于Fick第二定律的扩散过程和基于法拉第定律的电化学反应过程，并通过引入概率考虑了腐蚀过程的随机性和外界环境参数的不确定性。为了简化模拟过程，根据3DCA特点针对钢材复杂大气腐蚀过程做了几点基本假设，在此基础上根据钢材腐蚀发生的化学反应方程式建立了化学反应规则，根据氧气在电解液膜层中的扩散规律建立了扩散规则，最后通过编制Matlab程序实现了钢材在大气中腐蚀演化过程的模拟。通过将模拟获得的耐候钢腐蚀动力学曲线、腐蚀形貌和蚀坑分布特征与钢材基本腐蚀规律进行对比，验证了模型的正确性和可靠性。通过参数分析，研究了模型初始参数对耐候钢腐蚀特征的影响规律。最后，通过在模型中引入时间和尺寸量纲，并将模拟结果与大气中耐候钢实际腐蚀数据进行对比，建立了模型初始参数与腐蚀动力学公式相关系数的关系式，为模型在实际工程中的应用提供了有效途径。
4、基于对钢-UHPC华夫板组合梁基本受力体系的认识，以肋高与面板净厚比、纵肋宽与肋间距比、横纵肋间距比、华夫板截面高度和栓钉布置形式为变化参数，设计了6片钢-UHPC华夫板组合梁试件，并对其抗弯性能展开了试验研究。通过对比分析不同试件的裂缝发展、破坏形态、荷载-挠度曲线、截面应变分布和发展以及钢混相对滑移等试验结果，考察了不同参数对试件抗弯性能的影响。结果表明，钢-UHPC华夫板组合梁表现出明显的弯曲破坏特征，具有良好的延性；在横向配筋率为0.33%时仍能充分发挥其承载能力而不发生明显纵向剪切破坏；破坏时钢梁下翼缘和板顶纵向应变均得到充分发展，UHPC华夫板与钢梁匹配良好，钢-UHPC华夫板组合梁有效避免了实心UHPC板与钢梁组合时出现的“钢梁弱，UHPC强”的现象；减少纵横肋数量会减弱华夫板的横向刚度和整体性，导致华夫板顶面较早出现纵向裂缝或开裂更为明显。
5、建立了钢-UHPC华夫板组合梁的非线性有限元模型，并对其抗弯性能进行了数值模拟，将模拟结果与试验结果进行比较，验证了模型的正确性。在此基础上，对钢-UHPC华夫板组合梁的抗弯工作机理进行了深入分析，并开展了更为广泛的参数分析，以确定影响钢-UHPC华夫板组合梁抗弯性能的主要参数以及各参数的影响规律。基于以上研究，同时借鉴普通组合梁的研究成果，提出了钢-UHPC华夫板组合梁的抗弯承载力计算公式；并结合现有普通组合梁设计规范和本文研究成果，进一步建议了钢-UHPC华夫板组合梁的抗弯设计方法。最后，根据耐候钢的研究成果，在普通钢-UHPC华夫板组合梁基础上增加耐候钢腐蚀余量，从而提出耐候钢-UHPC华夫板组合梁的抗弯设计方法。结果表明，与减少纵横肋相比，减小华夫板上部面板厚度将显著减弱其整体性并且增加了钢-UHPC华夫板组合梁发生纵向劈裂破坏的风险，桥面板宜采用矮肋华夫板形式；增加华夫板横向配筋率对提高钢-UHPC华夫板组合梁极限承载能力的作用有限，但可以较大幅度提高其极限变形能力，建议钢-UHPC华夫板组合梁的最小横向配筋率取0.5%；纵横肋对钢-UHPC华夫板组合梁抗弯承载力的贡献较小，而纵横肋对保证组合梁极限变形能力具有较为显著的贡献；建议的钢-UHPC华夫板组合梁弹性抗弯设计方法和提出的极限抗弯承载力计算公式具有较高可靠性和精度，给出的抗弯设计建议可为钢-UHPC华夫板组合梁桥的工程设计提供借鉴和参考。提出的耐候钢-UHPC华夫板组合梁抗弯设计方法，可为今后该类桥梁的设计建造提供理论基础和技术支撑。
1、主要对模拟海洋大气中两种耐候钢(Q420qNH和Q420qNHY)的腐蚀行为和力学性能退化进行了研究，选择低碳钢(Q420q)作为对比。首先，通过中性盐雾试验对比分析了3种钢材在模拟海洋大气中的腐蚀特征。随后，通过拉伸试验，获得了3种钢材的初始力学性能以及力学性能随腐蚀程度的退化规律。最后，通过分析拉伸试件应变场，探究了3种钢材腐蚀试件的力学性能退化机理。结果表明，Q420qNHY表现出最好的耐蚀性，更适用于海洋大气；而Q420qNH并不适用于海洋大气；Q420qNH和Q420qNHY腐蚀后力学性能退化程度类似，均小于Q420q；局部腐蚀加速了断裂截面应变发展，导致伸长率随腐蚀程度增加而减小；耐候钢桥设计时，应同时考虑耐候钢的腐蚀行为和力学性能。
2、主要对模拟海洋大气中腐蚀初期耐候钢锈层在拉应力下的稳定性以及锈层损伤后基体的腐蚀行为进行了研究。首先，通过室外喷淋盐雾试验对耐候钢试件进行了预腐蚀；随后，对腐蚀试件进行静力拉伸，应力施加过程中，捕捉了锈层的失效过程，采集了耐候钢表面锈层的应变场，并对锈层的开裂应力和应变进行了分析；然后对不同程度轴拉荷载作用后的腐蚀试件进行了电化学测试；最后，建议了能够为正常使用极限状态下耐候钢桥耐久性设计提供依据的锈层开裂临界应力和应变。结果表明，经30d室外喷淋腐蚀后，Q420qNH表面形成的锈层比Q420qNHY具有更强的黏附能力；随拉应力增加，耐候钢呈现加速的腐蚀过程；取0.9倍和0.8倍屈服强度作为Q420qNH和Q420qNHY表面锈层开裂临界应力是合理的。
3、提出了一种基于三维元胞自动机(3D CA)的模拟大气中耐候钢腐蚀演化过程的方法。模拟过程包含了基于Fick第二定律的扩散过程和基于法拉第定律的电化学反应过程，并通过引入概率考虑了腐蚀过程的随机性和外界环境参数的不确定性。为了简化模拟过程，根据3DCA特点针对钢材复杂大气腐蚀过程做了几点基本假设，在此基础上根据钢材腐蚀发生的化学反应方程式建立了化学反应规则，根据氧气在电解液膜层中的扩散规律建立了扩散规则，最后通过编制Matlab程序实现了钢材在大气中腐蚀演化过程的模拟。通过将模拟获得的耐候钢腐蚀动力学曲线、腐蚀形貌和蚀坑分布特征与钢材基本腐蚀规律进行对比，验证了模型的正确性和可靠性。通过参数分析，研究了模型初始参数对耐候钢腐蚀特征的影响规律。最后，通过在模型中引入时间和尺寸量纲，并将模拟结果与大气中耐候钢实际腐蚀数据进行对比，建立了模型初始参数与腐蚀动力学公式相关系数的关系式，为模型在实际工程中的应用提供了有效途径。
4、基于对钢-UHPC华夫板组合梁基本受力体系的认识，以肋高与面板净厚比、纵肋宽与肋间距比、横纵肋间距比、华夫板截面高度和栓钉布置形式为变化参数，设计了6片钢-UHPC华夫板组合梁试件，并对其抗弯性能展开了试验研究。通过对比分析不同试件的裂缝发展、破坏形态、荷载-挠度曲线、截面应变分布和发展以及钢混相对滑移等试验结果，考察了不同参数对试件抗弯性能的影响。结果表明，钢-UHPC华夫板组合梁表现出明显的弯曲破坏特征，具有良好的延性；在横向配筋率为0.33%时仍能充分发挥其承载能力而不发生明显纵向剪切破坏；破坏时钢梁下翼缘和板顶纵向应变均得到充分发展，UHPC华夫板与钢梁匹配良好，钢-UHPC华夫板组合梁有效避免了实心UHPC板与钢梁组合时出现的“钢梁弱，UHPC强”的现象；减少纵横肋数量会减弱华夫板的横向刚度和整体性，导致华夫板顶面较早出现纵向裂缝或开裂更为明显。
5、建立了钢-UHPC华夫板组合梁的非线性有限元模型，并对其抗弯性能进行了数值模拟，将模拟结果与试验结果进行比较，验证了模型的正确性。在此基础上，对钢-UHPC华夫板组合梁的抗弯工作机理进行了深入分析，并开展了更为广泛的参数分析，以确定影响钢-UHPC华夫板组合梁抗弯性能的主要参数以及各参数的影响规律。基于以上研究，同时借鉴普通组合梁的研究成果，提出了钢-UHPC华夫板组合梁的抗弯承载力计算公式；并结合现有普通组合梁设计规范和本文研究成果，进一步建议了钢-UHPC华夫板组合梁的抗弯设计方法。最后，根据耐候钢的研究成果，在普通钢-UHPC华夫板组合梁基础上增加耐候钢腐蚀余量，从而提出耐候钢-UHPC华夫板组合梁的抗弯设计方法。结果表明，与减少纵横肋相比，减小华夫板上部面板厚度将显著减弱其整体性并且增加了钢-UHPC华夫板组合梁发生纵向劈裂破坏的风险，桥面板宜采用矮肋华夫板形式；增加华夫板横向配筋率对提高钢-UHPC华夫板组合梁极限承载能力的作用有限，但可以较大幅度提高其极限变形能力，建议钢-UHPC华夫板组合梁的最小横向配筋率取0.5%；纵横肋对钢-UHPC华夫板组合梁抗弯承载力的贡献较小，而纵横肋对保证组合梁极限变形能力具有较为显著的贡献；建议的钢-UHPC华夫板组合梁弹性抗弯设计方法和提出的极限抗弯承载力计算公式具有较高可靠性和精度，给出的抗弯设计建议可为钢-UHPC华夫板组合梁桥的工程设计提供借鉴和参考。提出的耐候钢-UHPC华夫板组合梁抗弯设计方法，可为今后该类桥梁的设计建造提供理论基础和技术支撑。