桥梁主梁断面颤振在大幅振动下具有显著的非线性特性,且后颤振状态可能表现为极限环振动,而非线性发散。为此,本文首先回顾了桥梁非线性颤振研究现状;开展了宽高比为5:1矩形断面气动力非线性特性以及节段模型试验系统的阻尼和刚度非线性特性研究,在此基础上进行矩形断面后颤振行为数值预测;最后,通过节段模型试验研究了桁架加劲梁后颤振特性。本文主要研究内容如下:（1）采用计算流体动力学数值模拟方法,获得了5:1矩形断面在不同振幅下的气动自激力,进而从颤振导数、高阶分量和滞回曲线等角度分析了矩形断面气动自激力非线性特性。然后,分析了后颤振极限环振动的频谱特性和自激力能量特性,并探讨了基于幅变气动参数描述非线性自激力的可行性。结果表明,矩形断面颤振导数具有振幅相关性,气动自激力在大振幅下存在高阶分量;后颤振极限环振动可近似视为简谐振动。（2）针对广泛采用的节段模型试验系统,回顾了其结构参数传统线性处理方法,开展了无风环境下5:1矩形断面节段模型振动测试,识别了非线性阻尼比和频率参数。在此基础上,研究了该系统的结构非线性对断面颤振导数识别及后颤振特性的影响。结果表明,节段模型试验系统在大幅振动下存在显著的阻尼非线性和轻微的刚度非线性;若忽略该系统结构非线性的影响,颤振导数识别结果或存在较大误差。（3）开展了5:1矩形断面两自由度后颤振行为数值预测,引入时频混合策略进行自激振动时程求解,采用幅变参数描述非线性气动力,同时也考虑了节段模型试验系统的阻尼和刚度非线性的影响,并将数值预测方法拓展到连续模型以考虑气动自激力展向三维特性。此外,通过矩形断面风洞试验进行数值方法有效性验证。数值结果表明,气动力或阻尼非线性均可引起极限环振动,连续模型后颤振稳态振幅略大于节段模型结果。（4）以贵州开州湖特大桥为工程依托,开展了桁架加劲梁后颤振节段模型试验,从静位移、稳态振幅、位移时程和频谱、振动形态等方面分析了桁架加劲梁后颤振响应特性,并从非线性阻尼角度探讨了后颤振自限幅机理。结果表明,桁架加劲梁后颤振在各试验攻角下均表现为极限环振动特性,且具有明显的弯扭耦合特征;节段模型试验系统的非线性结构阻尼有利于后颤振自限幅特性,而非线性气动阻尼则在不同攻角下具有不同影响。