随着现代桥梁跨度的增大和结构形式的创新,抗风安全性成为保证桥梁结构可靠及安全运营的关键因素之一。桥梁主梁、桥塔、拱肋及吊杆等构件均为钝体构件,其风荷载的非线性效应十分明显。本文首先回顾了桥梁主梁非线性气动力和风振响应研究的几个热点问题,综述了研究现状和不足。在此基础上,针对气动力的非线性特性、非线性气动力建模和非线性风致振动控制三个问题,开展深入研究。全文的主要内容和研究结论总结如下:(1)自由振动风洞试验难以分离节段模型弹簧悬挂系统的机械参数和无风环境气动参数,因此难以准确测量系统的机械参数。为此,本文设计了一种能够有效分离节段模型弹簧悬挂系统机械参数和无风环境气动参数的实用试验方法。通过试验证明了无风环境下节段模型弹簧悬挂系统阻尼含有显著的气动阻尼成分;对于大振幅自由振动风洞试验,识别机械阻尼比时必须剔除无风环境气动效应的影响,否则将严重高估系统的机械阻尼比。节段模型的附加质量(或质量惯性矩)会使系统无风环境振动频率一定程度地偏离其固有频率;对于常规的桥梁主梁节段模型,如果在识别固有频率时不剔除附加质量(或质量惯性矩)的影响,则固有频率识别结果可能较真实值偏小I%～3%。(2)为研究桥梁主梁非线性气动弹性振动的总体气动力驱动机理,本文基于CFD数值模拟技术计算了某桥梁主梁刚性模型的风致响应,以某颤振后极限环振动工况为例,分析了风致振动过程中的自激力一阶成分和各高阶成分的滞回曲线和做功特点。研究结果表明,桥梁主梁非线性颤振后极限环振动主要由自激力一阶成分驱动,高阶成分对振动响应的影响十分微弱;主梁从起振到发展为稳态极限环振动的过程中,位移信号与自激力信号之间的相位差发生明显变化,因此气动参数必然随振动状态发生改变;在建立模拟桥梁主梁气动弹性振动的非线性气动力模型时,可以仅考虑气动力一阶非线性成分,而忽略气动力高阶成分的影响。(3)构建了模拟桥梁主梁非线性气动力的气动描述函数模型,发展了基于强迫振动和基于自由振动(风洞试验或数值模拟)的气动描述函数识别方法。以典型桥梁主梁涡激振动和非线性颤振后状态的风洞试验结果、数值模拟结果和其他非线性气动力模型计算结果为参照,验证了气动描述函数模型用于模拟桥梁主梁涡激振动和非线性颤振后状态的精度。研究结果表明,气动描述函数模型能够较为准确地模拟桥梁主梁涡激振动和非线性颤振后状态的极限环振动和“迟滞”现象;特定Scruton数(简称Sc)条件下识别得到的气动描述函数能够较为准确地预测较大Sc范围内的风振响应;柔性主梁涡激振动振幅(最大振幅位置处)与其节段模型振幅之比与模态振型和机械阻尼比等因素有关,根据Scanlan模型计算得到的柔性主梁涡激振动振幅可能是偏不安全的。(4)现行桥梁颤/驰振安全性评价以颤/驰振临界风速作为唯一评价指标,而无法考虑桥梁的颤/驰振后安全储备。为此,本文结合现有桥梁极限振动状态研究,拟定了颤/驰振后极限环振动的容许位移或加速度振幅阈值,从而得到振幅小于拟定阈值的颤/驰振后安全风速区间;结合颤/驰振后安全风速区间和该安全风速区间相对临界风速的比例,定量地评价了典型桥梁主梁在不同结构动力参数(如机械阻尼比和扭弯比)和气动参数条件下的颤/驰振后性能。研究结果表明,桥梁主梁颤/驰振后性能可能较大程度地受到其气动外形及多种结构动力参数的影响,颤/驰振后安全风速区间(以拟定的承载能力极限振动状态为参照)与临界风速之比可能高达10%甚至20%以上。颤/驰振后安全储备定量评价可为桥梁初步设计阶段的整体结构动力设计和局部断面气动外形优化提供参考和依据,并有望加深对桥梁颤/驰振后安全储备的理解。(5)受非线性气动效应影响,传统桥梁颤/驰振控制目标(只关注临界风速)和基于线性气动力理论的TMD参数优化设计方法在处理特定结构的颤/驰振控制时可能过于保守或偏不安全。为此,本文引入一种新型控制目标,该控制目标能够根据预期的桥梁抗风性能来灵活定义,且能够有效考虑桥梁的颤/驰振后安全储备或临界风速之前潜在的大幅振动。针对桥梁主梁的颤振控制和驰振控制,分别结合气动描述函数模型和准定常气动力模型,提出了考虑非线性气动效应的TMD参数优化设计方法。以典型桥梁主梁的颤/驰振控制为例,验证了新型控制目标和本文TMD参数优化设计方法相对传统目标和传统方法的优势。研究结果表明,对于存在较大颤/驰振后安全储备的结构,可在结构颤/驰振控制目标中适当考虑其颤/驰振后安全储备,从而得到更为经济的TMD参数设计结果;对于颤/驰振临界风速之前可能发生较大幅度振动的结构,新型控制目标和基于新型目标的TMD参数设计结果较传统目标和基于传统目标的参数设计结果更为安全。