大跨径预应力混凝土箱梁桥应用广泛,但随着服役时间的增加和交通运输量的增长,相当一部分的桥梁在运营过程中出现了较为严重的箱梁腹板斜向裂缝、主梁跨中区段底板横向裂缝,底板与腹板部位上的U型裂缝,以及主梁的跨中下挠,造成了桥梁结构使用功能的降低,影响了结构的安全性和耐久性。因此,对开展箱梁病害问题的分析和加固方法的研究是非常必要的。本文在归纳、总结国内外桥梁病害、加固设计案例成果的基础上,重点针对大跨径预应力混凝土桥箱梁腹板开裂造成的主梁力学性能降低问题,提出等效夹层梁的模拟方法,通过等效夹层梁的损伤反演,分析变体系加固对结构刚度的提升和内力的改善,研究变体系加固方法在实际工程中的全过程应用技术。本文依托某黄河大桥,针对混凝土箱梁腹板出现的病害及特点,采用理论分析、数值模拟、现场试验及工程应用相结合的方法,开展了以下工作:（1）归纳、总结大跨度预应力混凝土箱梁桥普遍存在的病害问题及其成因,研究预应力混凝土箱梁腹板开裂对桥梁结构性能的影响。（2）根据预应力混凝土箱梁腹板的开裂特征,将腹板损伤后的箱梁结构等效为夹层梁模型,提出考虑箱梁腹板剪切变形的损伤分析模拟方法,建立夹层梁模型的单元刚度矩阵,进行UEL子程序的二次开发,并与实体单元静力响应分析结果进行比较,表明本文采用的考虑腹板开裂的等效夹层梁单元能准确的描述出箱梁发生损伤时的主梁力学特性。（3）以等效夹层梁单元模型为基础,采用夹层结构响应面的反演分析方法,通过对主梁静力荷载作用下的挠度值、挠度曲率值以及结构不同阶次的动力模态曲率值为指标进行损伤参数反演分析,并考虑不确定性因素对损伤反演结果的影响,得出基于曲率的响应参数可识别夹层结构的损伤程度和损伤位置。（4）以带有箱梁腹板损伤的等效夹层梁反演分析结果为基础,提出矮塔斜拉加固体系、系杆拱梁组合加固体系和悬吊加固体系的结构组合刚度,分析新增构件参数变化（斜拉索的角度、斜拉索面积、主拱刚度、系杆刚度、主缆面积等）对加固桥梁结构组合刚度的改善规律。采用组合刚度分析方法得到变体系加固的结构形式,可作为加固方案确定的依据。（5）依托某黄河公路大桥加固工程,根据桥面系荷载变化后的主梁挠度实测值进行响应面反演识别分析,建立损伤等效夹层梁模型。根据主梁恒载正应力可行域及相对应的恒载弯矩可行域,结合主梁截面上、下缘的正应力控制条件,调整加固索力使得主梁截面的应力落在上述可行域范围内,使得加固后结构内力和刚度达到设计目标。对加固前、后桥梁荷载试验控制截面挠度与应力实测响应值对比分析表明,矮塔斜拉加固体系显著提升桥梁结构的刚度和承载能力,可明显改善使用功能。