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随着桥梁跨度的增加,涡振和非线性颤振等风致非线性振动以及风致随机抖振响应等问题已成为控制大跨度桥梁设计的关键因素。目前在建立更具物理意义和计算高效的非线性气动力模型、涡振和颤振分析方法以及气动导纳等方面仍需要开展更加深入的研究。本文以流线型箱梁断面为对象,通过风洞试验和理论分析,系统研究了箱梁模型在不同风攻角下的竖向涡振、扭转涡振和耦合颤振的非线性振动特性。提出了基于自由振动响应希尔伯特变换的非线性气动阻尼和非线性颤振导数等气动参数的识别方法,建立了更合理的二维和三维涡振和非线性耦合颤振分析方法,相关研究对增强理解和量化非线性自激力及其对桥梁涡振和非线性颤振的影响提供了新的思路。另一方面,本文通过风洞测压试验研究了箱梁在不同紊流风场和风攻角下的气动导纳和抖振力的跨向相干性,分析了不同气动导纳和相干性对大跨度桥梁抖振响应的影响。本文主要研究内容包括以下几点:（1）基于两自由度（2DOF）弹簧悬挂自由振动节段模型风洞试验,系统研究了流线型箱梁在不同风攻角和风速下的竖向涡振、扭转涡振和耦合颤振的非线性振动响应特性。基于自由振动响应的希尔伯特变换,识别了具有振幅依存性的非线性气动阻尼和其他非线性响应模态特性（模态频率、模态阻尼、竖向和扭转位移之间的振幅比和相位差等）。将特定攻角和风速下的非线性气动阻尼表达为振动振幅的多项式模型,并证明了该模型在描述桥梁非线性气动阻尼的振幅依存性时比目前常用的模型更加精确方便。（2）开发了直接基于2DOF系统自由振动试验的非线性颤振导数识别方法,识别了不同风攻角和风速下与箱梁涡振和颤振相关的非线性颤振导数,并将其表达为振动振幅的多项式非线性函数。利用识别的非线性颤振导数（或自激力）计算了箱梁模型的涡振和颤振响应并跟风洞试验结果进行交叉对比,验证了本文提出的非线性颤振导数识别方法的正确性。所识别的非线性颤振导数可用来探讨不同结构参数下涡振和颤振的响应特性。（3）利用识别的非线性颤振导数,提出了可以同时考虑非线性自激力的跨向振幅依存性和跨向不完全相关性的大跨度桥梁不同模态的三维涡振响应分析方法。通过对主跨1700m大跨度悬索桥不同模态下的三维涡振响应分析,研究了不同结构阻尼比和自激力跨向相关性对三维涡振响应的影响。当不考虑相关性时,涡振响应的三维分析结果明显大于二维分析结果,证明和强调了考虑自激力的跨向不完全相关性和跨向振幅依存性对准确预测大跨度桥梁涡振响应的重要性。（4）建立了大跨度桥梁三维双模态耦合非线性颤振响应的分析方法。利用通过试验识别的流线型箱梁的非线性颤振导数,分析了主跨1700m的大跨度悬索桥的耦合非线性颤振响应（颤振后分析）,并和二维分析方法计算的结果进行了对比,结果表明,三维分析方法计算的非线性耦合颤振振幅响应明显小于二维分析方法的结果。最后从不同自激力分量对系统阻尼所起的贡献的角度,探究了流线型箱梁在不同风攻角下发生非线性颤振的特性和内在机理。（5）基于快速畸变理论的两波数导纳可以作为分析和评价任意实际紊流风场下的一波数气动导纳和抖振力跨向相干性的重要工具。本文基于同步测压风洞试验,综合研究了流线型箱梁在不同紊流风场和风攻角下的一波数导纳、两波数导纳和抖振力的跨向相干性等抖振力特性。接着计算分析了模型长度以及风场跨向相干性对利用高频天平测力法识别一波数导纳的影响,紊流场中模型长度的增加会导致测力法识别的导纳值降低。以主跨1700m大跨度悬索桥为例,分析了不同气动导纳和相干性对抖振响应的影响。