如何保障重大工程结构的安全性能和长寿命要求是土木工程中的焦点问题。温度作用对桥梁结构的安全性能影响重大。研究表明,长大跨桥梁的温度应力大于车辆荷载和风荷载引起的结构应力。由于长大跨桥梁受太阳辐射和其他环境作用,在截面上形成非线性温度梯度,使结构产生明显的温度效应,导致桥梁局部构件可能会出现严重的应力集中现象,产生较大的变形,最终可能引起局部损伤和结构性能退化。本文主要研究基于温度监测数据和有限元模型的长大跨桥梁结构性能评估。由于桥梁健康监测系统中的传感器数量有限,难以对没有布置传感器的位置进行监测。因此,对桥梁进行安全性能评估需要构建基准有限元模型。本文从桥梁结构的几何拓扑、边界条件、力学参数三个方面提升有限元模型的精度。具体研究包括:采用基于子结构法的多尺度有限元分析方法分析桥梁温度效应,并提升模型的几何拓扑形式;采用基于温度和位移监测数据的桥梁纵向约束刚度识别方法提升模型的边界条件;采用基于马尔科夫链蒙特卡洛(MCMC)抽样和响应面技术的多模型有限元分析方法,提升模型的力学参数。本文的主要研究内容包括以下几个方面:(1)对两座长大跨钢箱梁桥(一座斜拉桥和一座悬索桥)的监测数据进行了统计分析。实测数据统计分析内容包括温度分布、温度-纵向位移相关性、温度-纵向应变相关性、索力-温度相关性分析。监测数据统计结论如下:含风嘴构件的长大跨钢箱梁桥温度场可以按一维竖向温度梯度进行温度场分析;梁端纵向位移与温度具有很强的线性相关性,但存在温度滞后于位移的时间延迟效应,滞后时间大约1小时;对太阳辐射作用下主梁一天的温度与应变,以及季节气温变化作用下主梁一年的温度与应变进行相关性分析,发现应变与温度存在明显的相关性;索力受温度作用影响较小。(2)基于多尺度有限元方法和监测数据的桥梁温度应力分析。通过在整体模型中对U型加劲肋等局部构件进行建模,可以准确描述实际桥梁的几何拓扑形式。在进行基于多尺度有限元模型的温度应力分析之前,首先要进行桥梁温度场分析,温度场分析的结果可以作为荷载输入应力场。本文推导出桥梁受太阳辐射作用下的结构外表面绝对辐射气温公式,用来计算温度场的边界条件。温度场分析的计算值与实测温度对比结果表明:二者吻合较好,可以作为应力场的荷载。针对传统有限元方法难以在整体模型中对桥梁局部构件(如钢箱梁的U型加劲肋)的温度应力进行分析,本文采用多尺度有限元方法来解决这一难题。通过两个有限元算例验证,结果表明多尺度有限元模型较传统有限元模型的分析结果与真实值更为接近,并可以极大地提高计算效率。最后,对苏通大桥进行多尺度有限元建模,详细地考虑了箱梁内部局部构件——U型加劲肋,进行应力场温度效应分析。结果表明多尺度模型可以有效地对长大跨桥梁的局部构件进行应力分析,进而可以基于该基准模型进行结构性能评估。(3)基于温度监测数据的桥梁纵向约束刚度识别。边界条件的选取是影响有限元分析精度的一个重要因素。本文提出一种基于温度和纵向位移监测数据的桥梁纵向约束刚度识别方法,研究纵向约束刚度的取值。具体研究内容包括:首先,推导了各类桥梁的纵向约束刚度识别方程,基于温度和梁端纵向位移监测数据,可以确定纵向约束刚度的取值大小。然后,基于江阴大桥有限元模型对识别的刚度进行了验证;结果表明,考虑纵向约束刚度后,计算的梁端纵向位移更为准确。最后,对纵向约束刚度进行了参数分析,研究了纵向约束对结构的内力,以及静动力响应的影响。(4)基于MCMC抽样和响应面技术的桥梁多模型不确定性分析。力学参数的取值直接影响有限元模型的分析结果。然而,随着结构服役时间的增长,结构性能会逐渐退化,桥梁有限元中的力学参数存在不确定性问题。采用多模型思想可以分析其不确定性。由于多模型方法中的有限元模型数量巨大,应用于实际桥梁时,计算量将大大增加。因此,本文提出一种基于MCMC抽样和响应面技术的多模型分析方法,使多模型思想可以有效应用于实际工程结构中。MCMC抽样方法可以实现对过程的链式抽样,使抽样样本迅速的稳定于目标函数。同时,采用二阶响应面构建结构不确定性参数与结构响应之间的数学关系。通过将响应面模型作为替代模型,大大提高了计算效率,使多模型方法能够真正地应用于实际结构不确定性分析中。