大跨桥梁在强风荷载作用下产生的大幅风致振动呈现明显非线性气动特性。本文首先简要回顾了大跨度桥梁发散性颤振和极限环颤振研究进展,然后分析传统自由振动装置进行大振幅试验存在的不足,进而介绍本研究团队发明的新型大幅自由振动试验装置,最终以苏通大桥和H型主梁断面为研究对象,开展极限环颤振非线性气动特性研究。全文主要内容和结论总结如下:(1)对于桥梁节段模型传统自由振动试验装置,在做适当假定条件下,推导了扭转刚度折减率表达式,结果发现:在振动系统常用参数范围内,当扭转位移达到10°~20°时,扭转刚度折减率为3%~10%。竖直弹簧在系统振动过程中不可避免地发生侧向摆动以及局部振动,引入附加阻尼,对试验造成不利影响。(2)针对传统自由振动试验装置不适用于大振幅耦合振动试验的问题,本研究团队发明了具有振幅大、阻尼小、造价低、用途广、操作易的新型自由振动试验装置。(3)采用新型试验装置研究了不同试验条件(风速、攻角、激励方式)下苏通大桥和H型主梁断面节段模型的风振响应。结果表明主梁断面颤振可以分为三种区间,分别为:(i)颤振迟滞区,即外部激励对主梁断面颤振形式产生影响,若有外部激励,主梁断面由振幅为零逐渐增至某一稳定值,即发生极限环颤振;若无外部激励,主梁断面不会发生颤振;(ii)极限环颤振稳定区,即极限环颤振振幅随风速增加近似呈现线性增长趋势;(iii)颤振发散区,若风速大于发散区临界风速,颤振振幅呈指数增长。对于发生极限环颤振的主梁断面,线性颤振理论计算的临界风速为极限环颤振稳定区起点,对于发生发散性颤振的主梁断面,计算结果为颤振发散区起点,外加激励下,在临界风速之前也可能发生大幅振动,所以采用线性颤振理论分析结果可能偏于不安全。(4)探讨了发散性颤振和极限环颤振弯扭耦合特性变化规律,结果表明:对于极限环颤振,竖弯和扭转振幅比随振幅增加而减小;对于发散性颤振,弯扭幅值比随振幅增加而增大。两种颤振形式的弯扭振幅比均随风速发生变化,且极限环颤振稳定振动阶段弯扭振幅比随风速增加基本呈线性增长。弯扭耦合颤振过程中,气动扭转中心在上下游的位置迁移与风速、攻角以及运动周期相关。(5)两种主梁断面不同工况下,系统能量变化特征分析结果表明:极限环颤振过程中,系统机械能呈现波浪形上升趋势,极限环颤振稳定振动阶段,系统机械能并不是常数,基本接近正弦曲线,说明气动力做功,但在一个振动周期内累积做功为零。