由于当前广泛采用的自激力模型中气动力仅为折算风速的函数,无法计入气动力随振幅的非线性变化,因此根据所对应的大跨度桥梁颤振理论仅能在初始小扰动条件下计算颤振临界点,而无法计算出颤振临界点后桥梁的运动状态,也无法评估在初始非小扰动条件下桥梁的颤振稳定性。因此,当前的桥梁颤振计算理论难以满足未来超大跨度桥梁的抗风设计要求。因此有必要发展桥梁的非线性颤振计算理论,获得不同条件下的非线性颤振振幅,评估非线性颤振稳定性,进而为超大跨度桥梁的抗风安全设计提供依据。本文以杨泗港大桥双层桥面桁架梁为研究对象,利用节段模型自由振动风洞试验开展了典型桥梁断面依赖于振幅的非线性颤振特性的系统研究,提出了非线性气动参数的识别方法,建立二维和三维的非线性颤振的计算理论,揭示了典型桥梁断面非线性颤振的动力学机理。本文研究成果弥补了大跨度悬索桥非线性颤振计算理论研究成果的不足,为超大跨度悬索桥抗风设计提供了重要的理论参考。本文主要研究内容和成果包括:（1）利用节段模型自由振动风洞试验,计入结构阻尼随振幅的非线性变化特性,详细研究了杨泗港大桥双层桥面桁架梁单自由度扭转及弯扭耦合非线性颤振响应特性。揭示了模态阻尼（含气动阻尼）随振幅变化存在漏斗状特征,量化了竖向运动对耦合非线性颤振的影响,阐释了振幅滞回现象的发生机理,揭示了非耦合气动阻尼在非线性颤振过程中的重要作用。（2）基于节段模型自由振动风洞试验数据,获得了该双层桥面桁架梁非线性模态参数（模态阻尼、模态频率、振幅比、相位差）的振幅依存特性,建立了桥梁断面弯扭二自由度非线性颤振计算理论,进而提出了桥梁断面随振幅变化的非线性颤振导数识别方法,并基于计算结果和风洞试验交叉验证了计算理论和识别方法的准确性。（3）从非线性动力学角度入手,建立了适合钝体桥梁断面非线性颤振计算的单自由度扭转及二自由度耦合的非线性自激气动力模型。建立了以时变位移为变量的非线性阻尼模型和以振幅为变量的等效非线性阻尼模型,并基于谐波平衡法建立了两者间的转换关系,在此基础上,提出了非线性自激气动力模型中无量纲气动参数的识别方法。（4）提出了适用于大跨度悬索桥三维非线性颤振计算和机理分析的单模态及双模态闭合解法,并在此基础上开展了主跨1700m杨泗港大桥的三维非线性颤振计算。结果显示,计入结构振动模态后,大跨度悬索桥非线性自激力受到跨向振幅的影响显著改变,在此条件下获得的非线性颤振起振风速也与二维条件下的计算结果有显著区别。以双模态耦合非线性颤振计算为例,揭示了结构阻尼和加劲梁气动特性对大跨度悬索桥非线性颤振性能的影响机理。（5）基于广义坐标,提出了求解大跨度悬索桥多模态耦合非线性颤振的双层迭代特征值算法。以主跨1700m的杨泗港大桥（双层桥面桁架梁悬索桥）和主跨1418m的南京四桥（流线型箱梁悬索桥）为例,阐释了该方法的可行性和适用性,量化了加劲梁的气动差异对大跨度悬索桥非线性颤振特性的影响,揭示了多模态耦合效应对非线性颤振的作用机理。