拱桥结构在当代桥梁建设中得到越来越多的应用,这一桥型的安全性和耐久性问题也日益突出,其中,在中下承式拱桥中以吊杆体系的问题最为显著。近年来发生的多起拱桥坍塌事故,大多是由于吊杆体系发生破坏所导致。研究发现,在大量的吊杆体系破坏实例中,常常是以短吊杆失效为主,或短吊杆首先发生失效。影响吊杆体系耐久性的原因是多方面的,如腐蚀、疲劳等因素。一般地,可以认为同一拱桥上各吊杆所处的自然环境是相同的,长短吊杆之间这种耐久性上的差异,主要是由于车辆荷载产生的动力效应不同而导致。因此,有必要通过详尽的分析,研究拱桥吊杆体系的安全及耐久性问题。本文在考虑车桥动力耦合的基础上,分析了吊杆体系尤其是短吊杆易于破坏的机理,深入研究了提高吊杆体系耐久性及保障吊杆体系安全性的设计方法。主要内容如下:首先,建立车桥耦合动力分析模型。分别建立了大跨度拱桥三维有限元结构模型、空间多轴车辆模型和路面不平度模型并由三个模型组成车桥耦合动力分析模型,进行车桥耦合分析。通过桥梁静动态响应的计算结果与桥梁荷载试验实测结果的比较,验证了所建立的拱桥动力分析模型,保证了模型的可行性。其次,基于所建立的考虑车桥耦合的动力分析模型,对吊杆体系的动力响应进行分析。通过对吊杆应力冲击效应、弯曲效应的计算分析,研究了不同车速、车重、路面不平度以及车辆加速度对吊杆动力响应的影响。研究表明,车辆荷载对吊杆体系产生显著的冲击效应和弯曲效应,进而在吊杆截面产生较大的应力变幅和明显的不均匀应力分布,使吊杆体系易于疲劳破坏。短吊杆截面应力水平高于长吊杆,受冲击作用更为显著,因而更易疲劳破坏。然后,基于本文所揭示的短吊杆更易疲劳破坏的工作机理,提出了吊杆体系的等刚度模型来提高吊杆体系的耐久性。通过调整吊杆体系轴向刚度来改善短吊杆在车辆荷载作用下的受力条件,提高短吊杆的抗冲击性能,延长短吊杆使用寿命,进而提高整个吊杆体系的耐久性。同时,基于实际监测车流统计模型所建立的车速车重联合分布模型,建立车流荷载并通过车流加载分析,对等刚度模型中吊杆体系的耐久性进行了评估。最后,针对吊杆体系失效难以预测的问题,通过增设预警吊杆,提出了具有预警与破损安全功能的新型双吊杆体系模型。基于该模型,探讨了面向疲劳寿命的体系设计方法。通过使用寿命设计使吊杆体系具备以下性能:(1)预警吊杆与工作吊杆具有经济合理的疲劳寿命差;(2)预警吊杆破损时,保证工作吊杆的安全和整体结构形态正常。从而提高了吊杆体系安全运营的可靠性。通过调整预警吊杆初始应力来实现与工作吊杆之间的疲劳寿命差异。通过车流加载进行疲劳寿命分析,对预警功能进行了评价。在此基础上研究了吊杆体系损伤程度对疲劳寿命差异的影响,进一步评价了该吊杆体系模型的预警与破损安全性能。