颤振是大跨度桥梁抗风设计的控制因素之一。当前基于线性自激气动力的颤振计算只能得到颤振临界风速,而不能获得颤振临界点之后的振幅,将无法满足未来超大跨度桥梁的抗风性能设计的要求,因此对非线性自激气动力开展研究很有必要。本文回顾了桥梁线性自激力和非线性自激力的研究现状,针对非线性自激力研究中存在的问题和不足,结合试验研究和理论分析,从典型的钝体断面和大跨度桥梁的常见断面中分别选取5:1矩形和流线型箱梁断面为研究对象,对其非线性自激力特性进行了详细研究。论文的主要内容包括:1.在Taylor级数展开的框架下,总结了多个单自由度非线性自激力模型及其参数识别方法。同时对一种弯扭耦合运动状态下的非线性自激力模型进行了分析,提出了参数识别方法,讨论了模型的隐含假定。2.介绍了本文试验所涉及的强迫振动试验装置、测压和测振设备。讨论了测压管长度对压力信号的影响、位移压力信号同步采集的实现等试验细节。通过分析试验模型的二维流动特性、Strouhal数和气动力系数等,验证了试验方法的可靠性。另外,还说明了自激力的提取方法。3.基于强迫振动测压风洞试验,分析了5:1矩形断面和流线型箱梁断面在单自由度竖向、扭转及弯扭耦合运动状态下自激力的非线性特性。发现这两个断面振动时自激力可视为跨向全相关;5:1矩形该断面和流线型箱梁断面分别在扭转振幅达到8°和10°,自激力才会出现显著高次谐波分量。竖向运动产生的自激力非线性效应很弱,可以做线性化处理。弯扭耦合运动状态下,自激力的非线性特性受扭转运动主导,矩形断面和流线型箱梁断面的自激力均满足叠加性假定。4.基于5:1矩形模型和流线型箱梁模型在不同运动状态下表面压力场的变化,从压力场的时均特性、频谱特性、时变特性和本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)出发,分析了自激力非线性产生的流动机理。发现5:1矩形断面自激力非线性的产生与再附点位置前移密切相关;流线型箱梁断面表面的流动形态基本不受运动状态影响,其自激力非线性的产生与风嘴、斜腹板等区域剧烈的旋涡活动密切相关。振幅增大,矩形和流线型箱梁模型压力场的能量趋于向低阶POD模态聚集。5.根据试验得到的自激力非线性特性,改进了非线性自激力模型,识别了模型参数,使用Newmark-?法和Newton-Raphson迭代相结合的方法,求解了考虑非线性自激力的弯扭耦合颤振微分方程组,通过对比颤振后稳态响应的计算值和自由振动风洞试验的结果,验证了改进非线性自激力模型的合理性和参数识别结果的可靠性。