随着我国高速铁路的快速发展,列车运行速度不断提高,铁路桥梁因需要跨越江河湖海跨度也不断增大。跨度大的桥梁在高速列车和强风的共同作用下更易产生大幅度振动和变形,从而导致桥梁的强度和行车安全性降低。本文将向量式有限元应用于车辆、车-轨-桥、风-车-轨-桥系统模型的建立,并就风-车-轨-桥的耦合振动,风载作用下桥梁振动性能、车辆的行车安全性以及列车脱轨分析等问题进行了研究。主要研究内容如下:(1)提出基于向量式有限元的考虑车钩影响的平面车-轨-桥系统模型,并编制相应的计算程序,研究了桥梁和列车的共振问题。(2)提出基于向量式有限元的考虑车钩影响的空间车-轨-桥系统模型,建立了考虑轮轨几何关系和轮轨接触力的轮轨接触模型,并编制相应的计算程序,研究了三维车-轨-桥系统的耦合振动问题。(3)建立基于向量式有限元的空间风-车-轨-桥耦合系统计算平台,考虑了作用在桥梁和车辆上的静风力和抖振力,研究了斜拉桥在移动列车和风载作用下的振动特性。(4)以某钢与混凝土组合双跨斜拉桥为对象,采用所建立的计算平台,研究了风速、车速以及车钩对风-车-轨-桥耦合系统振动特性的影响,提出了列车的“轮对-位置”脱轨分析图,研究了风载作用下列车脱轨的风险。本文所建立的基于向量式有限元的考虑车钩影响的车-轨-桥系统模型不仅可以有效的模拟风荷载作用下车-轨-桥耦合系统的振动问题,还可以根据轮轨间的动态垂向相对位移进行列车脱轨分析。研究表明.:当列车以共振速度行驶在多跨简支梁桥上时,桥梁的振动响应会不断增大,并且当考虑了列车的车钩影响后,车辆与桥梁可能会产生同时共振的“双共振”现象;当列车行驶在大跨桥梁上时,轮对的脱轨系数、减载率和横向力均随着风速和车速的增加而增大;当风速或车速较大时,列车的部分轮对在桥梁预应力混凝土和钢梁交界处会发生跳轨的现象;在算例中,当车速为300km/h,风速为25m/s时,位于列车后部的车厢会出现脱轨的现象;对大跨桥梁上的列车进行脱轨分析时发现,车厢之间的车钩会提高列车的行车安全性。