系杆拱桥因其合理的传力机制、强大的跨越能力和美观的外观而在桥梁工程中得到了广泛应用[1,2]。作为连接拱肋与桥面系统的关键承重构件，吊杆对桥梁的整体安全性和耐久性起着至关重要的作用。与普通吊杆相比，短吊杆由于几何位置不利，更易产生应力集中和疲劳损伤，在反复的交通荷载和风荷载作用下，它们往往成为吊杆系统中的薄弱环节[[3], [4], [5]]。已报道的多起吊杆失效事故导致了严重的桥面局部坍塌，如图1所示，凸显了关键吊杆受损可能带来的严重后果。
针对短吊杆的疲劳问题，现有研究主要集中在截面优化、锚固细节改进、安装振动控制措施以及疲劳评估方法的完善等方面[[6], [7], [8]]。尽管这些方法在一定程度上可以缓解局部应力集中或延缓疲劳损伤，但它们仍然对桥梁系统整体变形协调中短吊杆不利的受力特性关注有限。因此，从吊杆系统刚度调整和内力重分布的角度出发，探索短吊杆的新型替换材料具有重要的理论和工程意义。
形状记忆合金（SMAs）因其超弹性和大变形恢复能力而在土木工程中引起了广泛关注[[9], [10], [11], [12], [13], [14], [15]]。现有研究已证明其在自中心构件、耗能装置、约束限位装置及相关结构系统中的潜在应用[[16], [17], [18], [19], [20], [21], [22]]。与传统预应力钢绞线相比，SMA索具有相当的水平强度，同时表现出更低的刚度和更强的变形协调能力[[23], [24], [25], [26], [27]]。因此，在正常桥梁使用条件下，它们有望通过减少吊杆承担的轴力份额、缓解局部应力集中来改善短吊杆的疲劳应力状态。近年来，关于SMA索拉伸力学性能、锚固方法和循环稳定性的研究也为其在桥梁吊杆中的应用提供了材料和构件层面的基础[[28], [29], [30], [31], [32]]。
在系杆拱桥吊杆应用中，疲劳性能直接关系到替换材料能否满足长期使用要求。现有对SMA索的研究主要集中在其功能疲劳行为方面，包括超弹性响应演化、相变以及反复加载下的循环稳定性[[33], [34], [35], [36]]。例如，Ozbulut [37]研究了NiTi SMA索在不同应变范围下的拉伸响应和超弹性疲劳特性。Shi等人[38]考察了环境温度对SMA索循环响应和功能疲劳的影响，揭示了反复加载下应力-应变环和超弹性退化的温度依赖性。此外，关于NiTi SMA丝和Cu-Al-Mn超弹性合金的相关研究表明，加载速率和环境温度可以显著影响循环功能退化、应力演化和疲劳寿命[[39], [40], [41], [42], [43], [44]]。
在结构疲劳方面，Yang等人[43]对总直径为0.57 mm的1×7 NiTi SMA绞线进行了结构疲劳试验。试验在循环拉伸加载下进行，最小应变固定为1%，目标应变范围从0.3%到2.5%。结果表明，疲劳寿命随应变范围的增大而减小，在应变范围为0.3%时即使经过2×106次加载循环也未观察到断丝。然而，专门研究较大规模锚固SMA索在吊杆型应用中结构疲劳行为的研究仍然非常有限。因此，研究SMA索在使用导向加载条件下的疲劳行为对于其作为系杆拱桥短吊杆的潜在应用具有特殊意义。
基于上述背景，本研究提出在系杆拱桥中使用SMA吊杆进行短吊杆替换，并通过理论分析、材料试验和桥梁有限元分析系统地考察其可行性。首先，建立了基于变形协调的模型来描述SMA吊杆替换引起的内力重分布，并从理论角度定性阐明轴向柔度变化如何同时影响恒载平衡力和活载引起的力增量。然后，进行了单调拉伸试验、循环加载试验和低幅拉-拉高周疲劳试验，以表征SMA索的基本力学性能、循环响应和疲劳性能，从而评估其用于短吊杆替换的适用性。最后，建立了全桥有限元模型，通过数值结果验证了所提出的理论公式。随后，利用有限元模型研究恒载、规范规定活载和代表性日随机交通流下的吊杆力重分布、应力响应和疲劳损伤演化，之后评估关键吊杆的疲劳寿命变化和替换方案的整体效益。
