随着桥梁向长大化、轻柔化和结构形式多样化方向的发展,桥梁对风的作用越来越敏感,风致振动响应越来越显著。颤振作为一种危及桥梁安全的振动形式,在桥梁风工程发展的几十年间已得到了较多的研究,但传统的线性自激气动力模型中,气动力的非线性本质不够显著,也不能满足现今大跨桥梁抗风设计的需要,因此有必要对自激气动力的非线性特性展开研究。本文主要工作有:(1)阐述了线性与非线性自激力的理论研究现状和已有的自激力模型,指出已有的模型存在未考虑弯扭耦合效应、实用性不够、气动参数求解困难等不足。(2)利用理想平板颤振导数的计算验证了CFD强迫振动方法的可靠性。对本文研究对象南京长江四桥主梁断面的CFD计算域的网格独立性进行了验证,根据入口风速、运动频率和经验公式,合理选择了计算域大小、网格尺寸和近壁面网格高度。(3)进行了南京长江四桥主梁断面单自由度竖向和扭转强迫运动计算,发现自激力中包含运动基本频率成分及基本频率的多倍频率成分,即流线型箱梁断面气动力存在倍频现象。(4)为探究非线性特征产生的流场驱动机理,开展了不同竖向和扭转振幅工况的单自由度强迫运动CFD计算,对不同振幅工况下南京四桥主梁断面周围旋涡的产生、分布、运动轨迹及旋涡之间的相互影响等进行了观察,并在主梁表面布置风压点,提取了主梁上关键点的风压时程,结合从流线图上观察到的旋涡形态和主梁表面的风压分布情况,分析并给出了风压倍频项产生的原因。(5)进行了弯扭不同频的两自由度复合强迫运动计算,发现除倍频现象外,还有弯扭频率耦合现象。基于这些非线性特征,提出了三角函数叠加形式的包含24个分项的非线性自激气动力模型,对模型中的各分项进行了公式推导,将非线性自激力模型表述为与运动状态参数α、α?、?、??相关的函数形式。(6)对于非线性自激力模型进行了实用性转化,表述为幅值和相位的函数。为观察各频率成分的幅值和相位随振幅变化规律,进行了不同振幅工况的单自由度和两自由度弯扭复合强迫运动计算,总结出了并拟合出振幅相关性公式,对非线性气动力模型进行了改进。取了小、中、大振幅三种弯扭复合运动工况进行了非线性模型的验证,发现非线性模型结果与CFD计算结果拟合得较好。最后对非线性自激力模型在颤振临界风速附近弯扭同频时的情况,进行了公式简化和推导,扩大了模型的适用范围。(7)阐述了用CFD求解自由振动响应以及用非线性气动力模型在Matlab中编程求解自由振动响应的方法。用两种方法分别进行了响应计算,发现求得的颤振临界风速较接近,且均未观察到明显的软颤振现象,最后对可能的原因进行了分析。