疲劳寿命预测是钢桥抗疲劳设计和疲劳性能评估的重要任务。本文综合应用扩展有限元法计算理论、裂纹扩展理论、疲劳累积损伤理论和结构可靠度理论,从断裂力学的角度系统研究钢桥疲劳寿命预测及可靠度计算方法,揭示结构疲劳寿命的变异特性以及考察设计寿命内的疲劳寿命可靠指标,为解决工程结构疲劳与断裂问题提供了一种适用性广与精度良好的数值模拟方法。本文研究的主要工作包括:(1)对结构疲劳问题研究进行文献综述。介绍了钢桥疲劳问题的研究进展;阐述了基于S-N曲线和基于断裂力学的疲劳寿命预测方法;论述了常用的断裂力学数值分析方法。(2)开展断裂力学扩展有限元法研究。介绍了线弹性断裂力学和扩展有限元法的基本理论并对扩展有限元法数值方程进行了推导。介绍了几种常用的应力强度因子计算方法并对相互作用积分法进行了详细的推导。最后通过算例验证了断裂力学扩展有限元法的准确性。(3)开展疲劳裂纹扩展寿命预测研究。结合Paris裂纹扩展理论和断裂力学理论,给出了一套基于扩展有限元法的疲劳裂纹扩展寿命预测方法。在此基础上,为了提高效率,对上述的疲劳寿命预测方法进行改进,提出了疲劳裂纹扩展寿命快速算法。此外,为了考虑变幅荷载的作用,综合应用疲劳裂纹扩展寿命快速算法和Miner线性累积损伤理论,提出了基于扩展有限元法的变幅荷载下疲劳裂纹扩展寿命预测方法。最后采用本章方法分别计算了I型裂纹和复合型裂纹问题的疲劳寿命,以验证本章方法的准确性和高效性。(4)开展疲劳裂纹扩展寿命可靠度分析研究。考虑了疲劳问题随机因素的影响,联合应用高效的用于结构随机分析的响应面-蒙特卡罗法,提出了基于扩展有限元法的疲劳裂纹扩展寿命可靠度分析方法。最后通过算例验证了该方法的可行性和有效性。(5)开展钢桥疲劳寿命可靠度分析工程应用研究。以某轨道专用桥为工程应用背景,采用本文提出的基于扩展有限元法的疲劳裂纹扩展寿命可靠度分析方法,研究该桥各疲劳细节的疲劳寿命统计规律,以及这些疲劳细节在设计寿命内的疲劳寿命可靠指标。研究结果表明,采用的断裂力学扩展有限元法具有较广的适用性和良好的计算精度;所提出的疲劳裂纹扩展寿命快速算法可以在几乎不损失精度的前提下较大地提高计算效率,因此变幅荷载下的结构疲劳寿命预测与可靠度计算方法总体上具有良好的计算精度和较高的计算效率。本文方法在某轨道专用桥疲劳寿命可靠度分析中的实际应用,充分验证了所提出方法的可行性和有效性。