跨海、跨江桥梁和西部库区高墩深水桥梁的墩体位于深水中，地震作用下水与桥墩之间产生动力相互作用，其机理十分复杂，对桥梁的地震响应有显著影响。历史震害表明，某些高烈度区深水桥梁结构虽按照相关抗震设计规范设计，但在地震作用下仍发生了严重破坏。因此，为了保证深水桥梁结构的地震安全性，需完善其抗震设计理论。本文以深水桥墩为研究对象，系统开展了地震作用下水—桥墩相互作用机理及水下振动台试验协调相似律研究。主要创新工作和研究成果如下：
　　(1)开展了水—桥墩相互作用机理振动台试验研究。通过水—桥墩相互作用振动台试验，研究了桥墩动水附加质量随激励频率、激励幅值、水深、截面直径和截面形状的变化规律，揭示了地震作用下水—桥墩相互作用机理。结果表明，动水附加质量随激励频率的增大先减小后增大，变化幅度均大于20.0%，该规律与传统Morison方程描述的规律不一致；动水附加质量随激励幅值变化幅度小于10.0%，可以忽略，该规律与传统Morison方程描述的规律一致；动水附加质量随水深增大而增大，且附加质量增大的幅度明显大于水深增加的幅度，即附加质量与水深不成正比关系，该规律与传统Morison方程描述的规律不一致；对于圆形桥墩，动水附加质量随截面直径增大而增大，附加质量增加的幅度明显小于截面直径二次方增加的幅度，即附加质量与截面直径二次方不成正比关系，该规律与传统Morison方程描述的规律不一致；对于矩形桥墩，动水附加质量随截面高度、迎水面宽度增大而增大，且增大的幅度与激励频率有关，频率越大，动水附加质量增加得越多，相较于截面高度对附加质量的影响，迎水面宽度对附加质量的影响更大。
　　(2)提出并验证了用以计算地震作用下桥墩的动水附加质量修正Morison方程。根据地震作用下水体粘滞阻尼产生的动水压力对结构响应影响较小的特点，提出了修正Morison方程，并采用最小二乘法对水—桥墩相互作用振动台试验数据进行拟合，得到了方程中修正惯性力系数和转换系数的计算公式；通过不同尺寸试件在不同工况下的水下振动台试验，验证了修正Morison方程的正确性。结果表明，修正惯性力系数、转换系数的计算结果与试验结果吻合较好，最大误差为9.9%；圆形、方形桥墩修正惯性力系数随水深增大而增大，随迎水面宽度增大而减小，随激励频率的增大先减小后增大，圆形桥墩修正惯性力系数取值范围为0.064~0.374，方形桥墩修正惯性力系数取值范围为0.186~0.447；截面宽高比小于1的矩形桥墩，其转换系数随水深变化较小，随宽高比增大而减小，随激励频率的增大先增大后减小，转换系数取值范围为1.021~1.871；截面宽高比大于1的矩形桥墩，其转换系数随水深、截面宽高比增大而增大，随激励频率的增大先增大后减小，转换系数取值范围为2.237~15.315；基于修正Morison方程的计算结果与水下振动台试验结果吻合较好，能够用于地震作用下桥墩动水附加质量的计算。
　　(3)提出了用于水下振动台试验模型设计的协调相似律。针对人工质量模型无法模拟水下动力试验问题，考虑流固耦合作用，提出了用于水下振动台试验模型设计的协调相似律，并给出了地震、波浪和地震—波浪联合作用下模型的设计步骤；利用ADINA软件建立不同参数的桥墩有限元模型，研究了其在地震、波浪和地震—波浪联合作用下的响应。结果表明，不同工况下，根据协调相似律设计的协调模型能够很好地预测桥墩原型的动水压力、位移、剪力和弯矩等动力响应，误差均小于5.0%，而根据人工质量模型设计的常规模型的误差较大，最大误差达80.0%；所提出的协调相似律能够用于水下振动台试验的模型设计。
　　(4)开展了地震、波浪作用下水—桥墩相互作用水下振动台试验研究。通过3个不同试件在地震、波浪和地震—波浪联合作用下水下振动台试验研究，验证了所提出的修正Morison方程和协调相似律的正确性。结果表明，基于修正Morison方程的桥墩动水附加质量计算结果与试验结果吻合较好，最大误差为9.8%，再一次验证了所提出的修正Morison方程可以用于计算地震作用下桥墩动水附加质量；水体的存在降低桥墩的自振频率，且降低的幅度随水深的增加而增大，与无水时相比，0.65m水深时一阶自振频率下降18.2%，二阶自振频率下降25.2%；不同工况下，协调模型最大误差在10.0%左右，常规模型的最大误差达50.0%，协调模型对原型动力响应预测的精度明显优于常规模型的预测精度，进一步验证了协调相似律可以用于水下振动台试验的模型设计。