桥梁作为生命线工程之一,其抗震安全性历来备受瞩目。为同时满足交通和城市景观的功能,世界各地修建了大量造型优美的非规则桥梁,却因此增加了其地震反应的复杂性。如何从土一结构相互作用入手对结构的地震反应进行研究,始终是桥梁建设及安全运营的一项重大技术难题。本文以世界上跨度最大的斜交曲梁下承式钢结构吊索拱桥——张家口通泰大桥为工程背景,对其地震反应过程中的土—结构相互作用、等效地震输入、上部结构截断模态的选择、阻尼矩阵的构造等问题进行了研究,并与监测结果的比对论证,取得了如下成果：(1)对比分析不同输入形式下单自由度框架结构的地震反应,讨论了土—结构相互作用对Ⅱ类场地上的结构地震反应的影响。在此基础上,基于两步法思想,考虑上部结构振动由土体散逸能量的辐射阻尼的影响,建立了一种修正上部结构阻尼的两步法等效地震输入计算方法,计算简便,便于工程应用。(2)为了解通泰大桥动力特性,首先进行了桥梁动力反应分析。将主梁和拱用梁单元进行划分、索用杆单元进行划分,建立单脊梁式有限元模型。并以桥梁跨中位移为约束条件进行索力优化。通过桥梁的模态分析,得到桥梁的固有频率和主要振型。其次,采用振型叠加分析方法,研究了单阶振型和不同振型阶数叠加下结构的位移和基底剪力等地震反应的变化规律。选用三条不同类型的地震波进行横桥向和顺桥向的地震反应分析,探讨振型截断误差以及局部振型和高阶振型对结构反应的影响。比较了基于振型贡献系数和累积振型参与质量选取振型数目所导致模态截断误差的差别。(3)为建立频谱密集结构的阻尼矩阵,以地震反应谱理论为基础,基于完全二次组合(CQC)提出了求解Rayleigh阻尼系数的优化分析方法。在此基础上,为实现任意阶模态阻尼比等于精确阻尼的要求,利用Lagrange乘子法进一步建立了求解Rayleigh阻尼系数约束优化方法。对通泰大桥地震反应优化分析所得Rayleigh阻尼系数的稳定性进行讨论,比较了不同的优化目标组合、约束条件对优化参考频率和地震反应的影响,以及约束优化解中约束模态的选取问题。数值分析结果表明,与平方和开平方组合(SRSS)相比,CQC组合所得的Rayleigh阻尼系数的地震反应计算误差更小,约束模态应该选取对结构地震反应有显著贡献的第一阶模态。(4)根据通泰大桥的结构特点,建立包含环境监测、静力特性监测、动力特性监测、车辆称重系统以及地震动响应监测的全面实时自动桥梁健康监测系统。在桥梁监测服务期内,地震动响应监测系统采集到张家口涿鹿县发生的地震信号。对工作状态下的桥梁进行环境激励下的模态分析,识别出前三阶模态频率,对比有限元计算结果,误差小于5%,验证了有限元模型的可靠性。(5)建立了考虑基础—土—结构和桩—土—结构相互作用的桥梁有限元模型,通过对比刚性基础桥梁有限元模型的地震反应分析,讨论了Ⅱ类场地土上吊索拱桥的地震反应分析考虑土—结构相互作用的必要性。在此基础上使用监测系统获得的实测地震数据,对桥梁进行地震反应分析。对比数值计算结果和实测的桥梁响应,表明基于刚性基础桥梁的计算结果偏小,不利于抗震安全,而考虑土—结构相互作用的计算结果和实测数据的误差小于10%,说明本文考虑土—结构相互作用的计算方法合理。