随着桥梁建设技术的发展,在设计跨越山谷或海峡的大跨度桥梁时,悬索桥成为了非常具有竞争力的一种桥型。其中,钢桁悬索桥梁由于其建设受运输条件和场地限制较小的优势,成为了常见的一种桥梁形式。但是,随着桥梁跨度的增大,大跨度悬索桥更加轻柔,在风荷载的作用下易发生振动,因此桥梁在设计过程中必须对其抗风稳定性进行检验,而气弹模型风洞试验就是常用的检测方法之一。然而在实际试验当中,气弹模型由于制作、保存、装配上的条件所限,可能会和设计目标产生一定的偏差,从而使模型不能精确体现实际桥梁的动力特性,影响气弹模型风洞试验结果的精确性。本文以某大跨度钢桁梁悬索桥为工程背景,研究了该桥梁全桥气弹模型的设计与修正技术,并重点分析了加劲梁上“U”型弹簧的几何参数初步设计过程。随后,基于“U”型弹簧的几何特性,分析得到了弹簧设计的简化快速计算方法及弹簧剪切变形的模拟方法。由于阻尼对桥梁风致振动有较大影响,本文结合ANSYS软件瞬态分析模块,采用两种方式对阻尼进行模拟,并用冲击荷载方法对模型各阶主梁振动模态衰减过程进行了模拟。最后,结合现有的模型修正理论,以风洞试验中桥梁气弹模型动力特性为修正目标,在频率和阻尼两方面进行了修正,得到了实际风洞气弹模型和设计上的偏差所在。研究结果可以表明以下结论:(1)按照静力刚度方法设计对“U”型弹簧进行设计所得到的参数仍有进一步研究和修改的空间。首先,静力刚度方法在模拟效率上还存在一定的改进空间。其次,和实际桥梁相比,静力刚度方法设计得到的气弹模型由于桥塔和缆索结构的影响,导致各阶频率在拟合时会出现一定的误差。最后,和实际的气弹模型相比,静力刚度方法没有考虑到“U”型弹簧剪切变形的影响,同时也没有考虑有限元模型和实际气弹模型阻尼的差别。(2)采用“U”型弹簧和节间组成的简化模型在模型设计时可以提升模拟的效率和节省运算资源。模拟得到的弹簧参数安装在气弹模型上后不仅能够较好地拟合桥梁的基础模态的频率,同时也可以较好的对桥梁的高阶模态进行拟合,体现了方法的可靠性。(3)“U”型弹簧产生的剪切变形会对有限元模型的动力特性计算结果有一定的影响。通过对比多组弹簧受剪切效应影响后的情况,发现厚度越大的弹簧受到剪切效应的影响越大。这一影响主要表现为厚度较大的弹簧在考虑剪切变形的情况下,扭转模态的频率出现较大程度的下降。如果在气弹模型的设计当中不考虑剪切变形的影响,则设计制作得到的气弹模型扭转频率最大会仅达到设计值的90%左右,对试验结果有较大影响,因此在“U”型弹簧的模拟过程当中,采用高精度的梁单元进行模拟是有必要的。(4)采用自由振动衰减方法和冲击荷载方法分别对模型进行有限元模拟,分析桥梁的振动衰减发现两种模拟方法得到的模型各阶模态阻尼大小有一定差异。经分析发现冲击荷载模拟方法所得到的基础模态频率会产生误差的原因在于基础模态在振动时受到了高阶模态的干扰,从而使模拟得到的阻尼值偏大。(5)有限元模型在风洞中测试得到的频率与设计值不一致时,可以采用简化模型修正方法或全桥模型修正方法来进行模型修正。简化模型修正方法可以对模型的刚度矩阵进行修正,而全桥模型除了能够修正刚度矩阵之外,还可以考虑桥梁的质量分布变化,因此修正效果相比简化模型的修正方法要更加准确。(6)有限元模型的阻尼可以通过Rayleigh阻尼和材料阻尼两种方式进行设置。在对气弹模型的阻尼修正中发现,由于气弹模型各个部分的阻尼大小相差较大,所以使用对模型整体设置的Rayleigh阻尼会使修正结果不理想。而材料阻尼由于可以对不同材料的构件进行分别设置,模型修正效果会更为精确。本文研究结论可为风洞气弹模型设计的简易化和精确化上提出了建议。在气弹模型频率和阻尼的修正上,提供了多种修正方式并比较了各种修正方式的特点。文章可以为气弹模型风洞试验模型的设计和修正提供参考。