近年来,中国高速铁路建设发展迅速,运营里程不断增长,遭受的气象灾害也越来越复杂。其中,风灾和雨灾是我国高速铁路最为常见的两种气象灾害。高速铁路桥梁和车辆在大风和暴雨的作用下,气动性能会发生改变,进而影响高铁行车安全。本文选取兰新高铁沿线5376基站监测的日极值风速和日极值降雨强度为研究对象,建立了基于混合Copula函数的风雨联合概率分布模型,基于基本降雨特征参数,分析了风雨耦合作用下桥梁和车辆的静力三分力,并通过计算流体力学软件FLUENT建立了风雨耦合作用下高速铁路桥梁和车辆的空气动力学计算模型,深入研究了风速、降雨强度和风攻角对高速铁路桥梁及车辆气动性能的影响机理和变化规律。本文主要研究内容及结论如下:(1)在分析风雨耦合作用对高速铁路桥梁和车辆运营安全影响的基础上,结合我国现有高速铁路防灾网内积累的海量风雨原始监测数据,说明其目前的主要用处。综述风雨联合概率分布模型、风雨耦合效应以及风雨耦合作用对桥梁和车辆气动性能影响方面的国内外研究成果,指出现有研究存在的问题,阐明了建立基于真实灾害数据的风雨联合概率分布模型以及研究风雨耦合作用对高速铁路桥梁和车辆气动性能影响的必要性。(2)在分析两种二元椭圆Copula函数和三种二元阿基米德Copula函数对于二维随机变量相关性刻画的基础上,构造了二元混合Copula函数。通过非参数核密度估计、贝叶斯模型加权平均以及离差平方和最小准则三种方法,建立了基于混合Copula函数的风雨联合概率分布模型,并利用K-S检验和最小距离检验方法验证了该模型是描述兰新高铁沿线5376基站日极值风速和日极值降雨强度联合分布规律的最优模型。(3)在分析基本降雨特征参数的基础上,选取了Best经验分布函数雨滴谱描述降雨事件以及Fabien J.R van Mook公式计算雨滴终点速度,然后结合风压和风驱雨强的计算公式,探讨了风雨耦合环境下的风压变化以及风驱雨强变化,最后通过基本假设和动量定理,建立单个雨滴对结构的冲击力方程,并根据桥梁和车辆的静风力计算公式推导出风雨耦合作用下桥梁和车辆的静力三分力计算公式。(4)在阐述流体力学基本理论的基础上,通过计算流体力学软件FLUENT建立了风雨耦合作用下高速铁路简支梁桥及车辆的空气动力学计算模型。利用湖南大学雷旭博士完成的风洞试验,对上述建模方法进行了验证。所得不同降雨强度下桥梁的阻力系数增量均吻合较好,充分验证了利用计算流体力学软件FLUENT建立空气动力学计算模型方法的准确性和可靠性。(5)基于已检验的风雨联合概率分布模型和已建立的风雨耦合作用下高速铁路桥梁和车辆空气动力学计算模型,选用满足100年重现期的风速和降雨强度数据研究了风速、降雨强度和风攻角等关键参数对风雨耦合作用下高速铁路桥梁和车辆气动性能的影响机理和规律。研究表明:不同参数变化对风雨耦合作用下高速铁路桥梁和车辆气动性能产生的影响不同;风速变化对风雨耦合作用下高速铁路桥梁和车辆气动性能产生的影响较大,二者的静力三分力都随着风速的变大而增大,升力系数和力矩系数也随风速增加而增加,但是阻力系数随风速增大而变小;降雨强度变化对风雨耦合作用下高速铁路桥梁和车辆气动性能产生的影响较小,二者的静力三分力及静力三分力系数都随着降雨强度的增加而缓慢增大;随着风攻角的增大,风雨耦合作用下高速铁路桥梁的阻力系数越来越大,但是车辆的阻力系数越来越小,二者的升力系数和力矩系数都越来越小。