随着交通基础设施的老化，养护资金短缺成为高速公路管理部门亟待解决的问题，而收取道路通行费作为一种有效的融资方法，具有缓解此问题的可行性。然而，目前关于高速公路通行费收费标准的研究大多仅关注偿还贷款和公司经营的资金需求，很少将回收道路养护成本这一重要因素考虑在内。实际上，在一个养护规划期内，道路使用者会根据高速公路网的中各路段的收费费率进行出行行为选择，而这些行为又会反过来影响路网中路面损坏情况，进而影响养护成本。因此，本研究通过探究道路收费和养护费用的相互作用机理，建立了考虑回收养护成本的高速公路通行费费率优化模型。
　　本研究首先将PCI作为评价路面损坏状况的指标，基于考虑车辆轴载影响的路面使用性能衰变方程，得到车辆荷载-疲劳损坏的定量关系。然后在不同的养护水平下，对各养护措施的单价及其触发时的PCI值做线性回归，得到疲劳损坏-养护费用的定量关系。最后，以疲劳损坏为中间变量，得到了车辆荷载-养护费用的相关关系。
　　其次，本研究利用时间价值转换系数将时间转换为等效的货币费用，再改进BPR公式得到广义出行成本函数。然后分别建立固定需求用户均衡交通分配模型、弹性需求用户均衡交通分配模型和系统最优交通分配模型，证明了模型与各原则的等价性以及各模型解的唯一性，并给出各模型的求解算法。最后讨论了交通分配与荷载分配的关系，通过交通分配-车辆荷载分配系数实现二者的转化，从而得到道路收费-车辆荷载分配模型。
　　最后，基于车辆荷载-养护费用相关关系和道路收费-车辆荷载分配模型，考虑固定需求和弹性需求两种情况，本文利用双层规划模型描述考虑收回养护成本的高速公路通行费费率优化问题，之后利用有效集算法对模型进行算例求解分析。结果表明，在不同养护水平下，固定需求和弹性需求的模型与传统的拥挤收费相比可以降低出行成本，同时在各养护水平和各交通需求水平下，始终能保证收取的道路通行费可以收回养护成本，因此模型和算法的有效性得到证明。