对于大跨度柔性桥梁,颤振是最为严重的一种风致发散振动,必须严格杜绝。首先回顾了桥梁结构风致响应模拟的发展,总结了桥梁结构颤振导数识别与颤振分析的研究现状。针对现存的问题和不足,本文在典型主梁断面的颤振导数识别、颤振导数参数分析、自激力非线性特性、零风速下非线性气动效应、发散性颤振特性和极限环颤振特性六个方面展开了深入的数值模拟研究,主要的研究内容和结论有:(1)首次采用3自由度(three-degree-of-freedom,简称3-DOF)耦合强迫振动数值模拟法识别了主梁断面的颤振导数;通过识别薄平板断面和典型主梁断面的颤振导数,并将识别结果与解析解和试验结果进行了对比分析,验证了本文耦合数值方法的可靠性和有效性;相比分状态强迫振动法,本文的耦合振动模拟法在提供相同识别精度的前提下,节省了 67%的计算时间;提出了指数衰减/发散强迫振动法研究阻尼比和振幅对颤振导数影响的方法,模拟了薄平板断面和钝体主梁断面在不同阻尼比和振幅下的颤振导数,结果表明阻尼比和振幅对颤振导数均有不同程度的影响;本文提出的方法为颤振导数的参数分析提供一种更快捷有效的方法。(2)通过谐波分析研究了自激力的非线性特性,同时从数学上验证了颤振导数的识别结果与高阶谐波分量无关,结果表明自激阻力包含较大的高阶谐波分量,线性自激力模型将不再适用;探讨了不同振动形式下自激力的模态叠加假定的适用性。建立了同时考虑一阶和高阶谐波分量的非线性自激阻力模型,同时识别了相对应的侧向颤振导数;通过模拟四种典型主梁断面在竖向、侧向和扭转振动过程中的自激阻力,验证了本文的非线性模型的有效性。数值模拟结果表明自激阻力的非线性特性主要依赖于主梁断面的气动外形,断面的上下对称性是决定高阶谐波分量比重的关键因素。(3)基于弱耦合方法,建立了桥梁结构的风振响应计算的数值模型,提出了零风速下振动桥梁断面的气动力数学表达式,模拟了薄平板断面和主梁断面在零风速下的自由振动响应,进而计算了断面的非线性振动频率和阻尼比。结果表明:零风速下竖向和扭转振动中的主梁断面,若忽略气动效应,将会带来一定的误差。(4)模拟了薄平板断面和流线型主梁断面在不同风速下的振动响应及颤振临界状态,通过本文数值模型计算的颤振临界风速和颤振频率与解析解和试验结果完全吻合;分析了主梁断面在颤振过程中的气动扭转中心横向偏移特性;从断面振动过程中能量交换的角度分析了发散性颤振的驱动机理,并进一步分析了颤振过程中模型表面不同位置的气流能量输入特点。结果表明由于弯扭耦合效应,主梁断面发生颤振时的气动扭转中心位置会发生周期性的变化;位移和气动力之间相位角直接决定一个周期内气动力做的有效功是正功还是负功;在发散性颤振过程中,由于分离涡的生成和迎风面驻点位置的转移,主梁表面的主要吸能区域随着振幅的增大会显著增大。(5)模拟了流线型主梁断面在不同初始攻角和不同来流风速下的极限环颤振(Limit Cycle Flutter,简称LCF)响应,研究了侧向自由度参与、结构固有阻尼比和初始激励对LCF响应的影响,研究结果表明随着初始攻角的增大,主梁断面的气动外形变得更加钝,从而导致更易发生LCF;侧向自由度对LCF响应影响很小;结构固有阻尼比对LCF临界风速和振幅影响较大;LCF的稳态响应与初始激励大小无关。(6)探讨了主梁断面LCF过程中的气动力的非线性特性和迟滞特性,对主梁表面不同位置的脉动风压进行了谐波分析,从主梁断面振动过程中能量交换的角度分析了LCF的驱动机理。结果表明,主梁断面在LCF过程中的气动力和位移是由若干个频率成整数倍关系的谐波分量组成;气动力做功以一阶谐波分量做功为主;气动力和位移之间的相位角随着振幅的变化而变化,从而决定在一个周期内气动力做的有效功的变化趋势;当气动力做的有效正功与结构阻尼的耗散功相等时,断面进入LCF状态。