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水中悬浮隧道(简称SFT)，是一种利用自身浮力为支托，并以一定方式固定于水面以下、距离水面一定深度的一种新型跨越水域交通方案。作为一种尚未实现的新型结构，目前人们对于SFT的动力特性，尤其是SFT的非线性动力行为及其机理的认识还不是清楚。本文针对SFT在波浪载荷作用下的非线性动力行为，从数值计算、工程预测模型、理论分析和模型实验多个方面开展了深入的研究。
(1)支撑系统特性对于SFT的动力特性有重要的影响。本文引入新的SFT锚索模型来模拟支撑系统的松弛行为，首次通过数值建模，研究了SFT在波浪载荷作用下支撑系统的松弛和相关冲击张力问题。通过能量方法建立控制方程，并进行数值求解。考虑了锚索松弛-张紧过程中拉压刚度的不连续引起的非线性、结构有限变形的几何非线性、流体阻尼多种非线性效应。讨论了波浪参数及结构基本控制参量的影响规律；关注了SFT锚索的非线性张力响应特征，建立了基于SFT控制参数的松弛一张紧区域图。
(2)本文提出了SFT锚索松弛的工程预测模型，并进一步发展了基于预防锚索松弛的SFT结构设计方法。该模型并没有直接求解非线性微分方程，而是从另外一种思路出发通过建立松弛判据和推导简化的SFT控制方程及其解析解，得到了不考虑SFT锚索松弛的稳态响应的解析表达，结合SFT的松弛判据进行判断。讨论了影响SFT松弛区域的影响因素，并将该模型的预测结果与数值求解微分方程的预测结果进行了比较。最后提出了基于预防锚索松弛的结构参数设计方法。
(3)由于支撑系统的松弛所引起的非线性问题，对于SFT和其他类似的海洋系泊式悬浮结构如浮式防波堤等是普遍存在的。对于这种强非线性问题，通过数值积分方法求解系统微分方程的初值问题能够给出其非线性响应。然而，数值积分方法只能得到系统离散的数值解，并且不能得到系统的非稳定解分支。因此，为了进行非线性系统的全局分析，本文通过采用FFT变换的增量谐波平衡方法研究了受垂向激励作用下的SFT的非线性动力行为。建立了由竖直锚索约束的SFT在垂向激励作用下的控制方程，其中考虑了支撑系统中可能的松弛所引起的非线性。对控制方程进行了无量纲化，推导了无量纲控制方程的采用FFT变换的增量谐波平衡格式，并且编写了相应的计算机程序进行求解；对问题的控制参数进行了全局分析，并结合Floquet理论判断解的稳定性。讨论了控制参数的影响规律，揭示了由于支撑系统松弛引起的SFT等系泊式悬浮结构的非线性动力过程的机理。
(4)作为一种尚未实现的交通结构，模型实验的开展对于SF工具有重要的意义。本文开展了SFT波浪水槽中的管节模型实验，研究了SFT在波浪作用下的动力特性。通过设计制作“可连续改变锚索倾角的水中悬浮隧道的模型实验装置”，首次实现了同时改变关键结构参数-浮重比(BWR)与锚索倾角(IMA)的SFT模型实验研究，讨论其影响规律。实验采用多通道数据采集器(DAQ)和高速摄像测量设备两套独立的系统进行了多物理场的同步测量，得到了SFT的位移、锚索张力、压力分布的响应。采用高频信号发生器在两套系统之间进行同步。实验讨论了不同结构形式下SFT的动力特性受波高、周期的影响规律。实验中观察到了多种非线性现象。研究了关键无量纲控制参数浮重比的影响规律，实验结果揭示了浮重比的影响机理，打破了传统的认识，并由此发展了SFT协同浮重比的概念。