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高速铁路对社会经济的发展起着非常重要的作用。桥梁作为轨道的支承载体，从有利于节约宝贵的土地资源和有利于环境保护出发，高速铁路桥梁的比例比普通铁路高得多。地震是一种突发性的破坏力极强的自然灾害。当地震发生时，桥梁的支座受地面振动激振而使得整个桥梁结构发生剧烈振动，直接影响到桥梁结构和桥上列车的安全。桥梁是生命线工程的重要组成部分，桥梁结构的破坏将直接导致铁路线路功能的失效，不但造成大量的经济损失，还可能引起人员伤亡。中国是一个地震灾害严重的国家，多条高速铁路穿越地震带。因此，线—桥结构的抗震性能日益受到关注。本文在借鉴国内外现有研究成果的基础上，针对高速铁路典型的无砟轨道桥梁，考虑行波效应的作用，建立了绝对坐标系下线—桥地震响应动力平衡方程，编制了相应的分析程序TBDAUE。并以常用的多跨简支梁桥为研究对象，系统分析了一致地震动和非一致振动地震动作用下线—桥结构动力性能。本文各章主要内容如下: 第1章:阐述了考虑行波效应进行地震作用下线—桥结构振动响应研究的必要性及国内外研究现状，介绍本文研究内容。 第2章:对研究所采用的计算原理进行阐述:介绍了行波效应产生的原因，分析对于大跨度桥梁的地震响应问题必须考虑行波效应在绝对坐标系下进行计算的原因;描述了轨道结构和桥梁结构的分析模型，介绍了目前轨道结构和桥梁结构常用的几种模型以及建模方法，分析各种模型和建模方法的不同，并运用有限元方法分别建立轨道结构和桥梁结构的动力平衡方程;阐述了包括大质量法、拟静力求解法和直接求解法三种常见的地震波输入方法的原理，分析不同地震波输入方法的不同点;最后给出Wilson-θ法和Newmark-β法两种常见的求解动力学方程的数值积分方法的操作过程，并分析两种方法的不同。 第3章:本章主要阐述了线—桥结构地震响应计算程序的设计过程，设计过程中所遇到的问题以及解决的方法，主要如下: 分析现有有限元软件的不足，即无法对地震波积分产生的零线漂移现象进行修正以及在建立线—桥结构模型时建模的繁杂性，以解决这些不足之处为目的编制了地震—线—桥耦合动力分析程序，在程序中完全分离轨道结构和桥梁结构，使其在各自的建模过程中完全不需要考虑连接问题，而由程序采用插值算法进行连接计算。 程序采用有限单元法建立轨道结构和桥梁结构的动力学方程。其中钢轨采用梁单元进行模拟。考虑到桥梁结构的复杂性和多变性，采用梁单元、板壳单元两种单元类型对桥梁结构进行模拟，并能考虑集中弹簧、集中阻尼、集中质量、主从节点以及梁单元轴力的影响。 以绝对坐标系为参考系，程序分别建立轨道结构和桥梁结构的动力学方程，考虑行波效应，读入地震波的加速度、速度和位移时程，并通过插值计算线—桥耦合作用力，通过迭代使得线—桥耦合作用力同时满足轨道结构和桥梁结构之间力的平衡条件和变形边界条件，最后分别输出轨道和桥梁结构的响应。为了完成线—桥耦合作用力的插值计算，程序内置了刚臂单元、轨下弹簧—阻尼单元，并采用了三次样条曲线插值算法和等效节点力分配算法。 在分离轨道结构和桥梁结构之后，如将钢轨视为仅在两端简支的梁而将轨下弹簧—阻尼力作为主动力输入计算，则在钢轨长度增大到某个数值之后出现线—桥耦合作用力迭代计算发散的问题。通过对计算数据分析，采用单自由度体系为例进行说明，分析了迭代发散的原因。迭代发散的原因是由于仅有两端简支的钢轨长度的增加造成钢轨的刚度大幅度下降，当钢轨在扣件处节点的刚度下降到比对应的轨下弹簧的刚度小时，则将轨下弹簧力作为主动力输入会得到一个更大的节点位移，而更大的节点位移会在下一迭代步中计算得到更大的弹簧力，重复迭代过程则计算结果迅速发散。为了解决钢轨长度增加造成的线—桥耦合作用力发散问题，程序将钢轨视为在每个扣件处有弹簧—阻尼支座的多点支承连续梁，将扣件处的桥面响应作为支座激励输入，通过分析以及算例验证表明，可以有效解决迭代发散的问题。 为了对自编程序的准确性进行验证，采用有限元软件Midas Civil的计算结果与自编程序的计算结果进行验证。同时采用多个算例对自编程序插值计算的精度进行评估。最后给出了目前常用的解决地震波零线漂移的方法。 第4章:采用自编程序对工程实例进行多个工况下的分析计算，对比行波与非行波、不同剪切波速、单向与多向地震和不同墩高等多个因素对地震—线—桥结构动力响应的影响，并得出结论。 第5章:总结本研究的工作，提出已经解决的问题，指出不足和尚未解决的问题，并对日后的继续研究方向提出建议。 本文以京沪高速铁路上一座典型的多跨简支梁桥以及桥上无砟轨道为分析对象，计算多种工况下线—桥结构的地震响应，得出以下结论: (1)三向一致振动地震波作用下，各时刻钢轨的横向位移以平移为主，此时钢轨的变形主要由桥墩、梁和钢轨自身的变形组成，钢轨的位移数值较大但自身变形较小。各时刻钢轨的垂向位移整体呈现平移但梁缝邻近处的钢轨位移出现突变，这是由于纵向地震波引起的墩顶转角θy所致。因此梁端处钢轨错位表现为有规律的正反向交替，各跨梁体的倾斜方向随着时间来回改变，通过对比双向地震波的计算结果可以验证产生此现象的原因。因此在进行结构的地震响应分析时，纵向地震波的影响很大。 (2)不同剪切波速行波作用时，钢轨最大横向位移和垂向位移与三向一致振动地震波作用的计算结果比较接近。每一跨内桥梁结构和轨道结构的时程曲线与一致振动的计算结果除了相位差之外没有太大变化，行波作用对于单跨简支梁桥及上部轨道结构的影响很小。 (3)行波作用下全桥钢轨的横向位移和竖向位移曲线均有明显的弯曲，钢轨的横向位移为一条光滑的曲线，垂向位移整体为曲线且在每跨的邻近梁缝附近有错位变形，各时刻横向位移和竖向位移曲线均随着剪切波速提高曲线趋近于光滑。钢轨各时刻横向变形主要由支座横向位移引起的结构变形组成，结构自身的振动变形占的比例很小。而钢轨的垂向变形则主要由竖向支座位移和结构振动变形组成，由竖向支座位移引起的结构变形和纵向地震引起的梁端错位变形组成，结构自身的振动变形占的比例也很小。由于纵向地震波的行波效应使得各时刻钢轨在梁端的错位出现沿纵向来回交替的现象。 (4)多跨简支梁桥墩高变化对钢轨横向位移曲线的影响很小，这是由于地面横向位移引起的结构位移较大所造成。而墩高变化对钢轨垂向变形则有较大影响，主要是对梁缝处钢轨错位产生影响，不同墩高所引起的梁端钢轨错位的幅值和周期都不同，墩高较高的梁缝处的钢轨错位的幅值和周期较大，这是因为较高的墩高刚度较小。因此在研究线—桥结构的垂向特性时，墩高是一个重要的影响因素。