Les travaux présentés dans ce manuscrit visent à développer des modèles de coût/performances pour améliorer les décisions de maintenance sur les infrastructures ferroviaires exploitées dans un environnement de plus en plus contraint: trafic accru, détérioration accélérée, temps de maintenance réduits. Les modèles de maintenance proposés sont construits à base de réseaux de Petri colorés ; ils sont animés par simulation de Monte Carlo pour estimer les performances (en termes de coût et de disponibilité) des politiques de maintenance considérées. Ils sont développés aux niveaux "composant" et "réseau", et plusieurs problèmes de maintenance différents sont étudiés. Au niveau "composant" (rail), des politiques de maintenance mettant en jeu différents niveaux d'information de surveillance sont comparées pour montrer l'intérêt de surveiller la détérioration graduelle du composant. L'effet de l'existence d'un délai de maintenance est également étudié pour les politiques conditionnelle et périodique. Au niveau système (ligne), une maintenance mettant en jeu différents types d'inspections complémentaires (automatique ou visuelle) est d'abord étudiée. On s'intéresse ensuite au cas de figure où l'évolution de la détérioration dépend du mode d'utilisation et de la charge de la voie : le problème de maintenance étudié vise alors à définir un réglage optimal des paramètres d'exploitation de la voie (vitesse limite) et de maintenance (délai d'intervention) / The aim of this thesis research work is to propose maintenance models for railways infrastructures that can help to make better maintenance decisions in the more constrained environment that the railway industry has to face, e.g. increased traffic loads, faster deterioration, longer maintenance planning procedures, shorter maintenance times. The proposed maintenance models are built using Coloured Petri nets; they are animated through Monte Carlo simulations to estimate the performance of the considered maintenance policies in terms of cost and availability. The maintenance models are developed both at the component and network levels, and several different maintenance problems are considered. At the rail component level, maintenance policies with different level of monitoring information (level of gradual deterioration vs binary working state) are compared to show the benefits of gathering monitoring information on the deterioration level. The effect of preventive maintenance delays is also investigated for both condition-based inspection policies and periodic inspection policies on a gradually deteriorating component. At the line level, a maintenance policy based on a two-level inspection procedure is first investigated. Then, considering the case when the deterioration process depends on the operation modes (normal vs limited speed), a maintenance optimization problem is solved to determine an optimal tuning of the repair delay and speed restriction