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自上世纪八十年代以来,信号处理进入了前所未有的快速发展期,新兴的理论和方法不断涌现。作为普遍的基础理论和应用工具,信号处理同其他学科交叉融合的趋势日益明显,并在许多应用领域由不同的信号处理方法形成了传统的优势地位。但非平稳信号处理仍是目前所面临的重要问题之一,其难点在于如何协调好精度和分辨率这一对矛盾。在土木工程和地震工程中,振动信号处理是信号处理技术最典型的应用之一,其主要目的即是从信号中尽可能地提取完备的、具有实际物理意义的信息以满足科研和应用的需要。然而,现实中的信号大多是非线性、非平稳的,并且数据长度有限,这使得分析处理此类信号成为一项复杂的工作。特别地,地震动和结构响应是地震工程中两种常见的振动信号形式,由于两者及其对应的系统(结构)的特性存在一定的差异,使得与之密切相关的两方面应用——地震动输入研究和结构损伤识别又对信号处理提出了不同的要求。在地震动输入研究方面,人们已经认识到除传统三要素外强度和频率非平稳特性同样是地震动的重要特性,而瞬时谱被认为是描述上述非平稳特性的有效的概念。虽然已有不少信号处理方法被用于地震动的瞬时谱估计,但一直未能解决好精度和分辨率的矛盾,而在此基础上的地震动瞬时谱的模型化研究则更是空白。因此,寻求有效的信号处理方法用于地震动瞬时谱的模型化研究,是结构抗震设计和分析对地震动输入研究提出的迫切需求。在结构损伤识别方面,基于振动的损伤识别在过去十年里一直是研究热点,针对已有方法的不足,研究者在相继提出一些改进措施的同时,近年来也逐渐将注意力集中到通过结构振动信号完备信息的提取来实现结构损伤识别,这些研究为基于振动的结构损伤识别提供了一个新思路。显然,要实现这一思路就要求信号处理方法能够高效、实时地从结构振动(反应)信号中提取完备信息,并能据此对结构的性能(状态)做出准确的评判和推断。为此,本文对非平稳信号处理方法及其在地震动非平稳特性和结构损伤识别中的应用展开了研究,主要工作和取得的创新成果可归纳为以下三个方面: 1.非平稳信号处理方法首先,提出了三种改进的参数化方法,不仅解决了现有方法难以协调好精度和分辨率这一对矛盾的难题,而且也为地震动瞬时谱的模型化研究奠定了基础;其次,提出了基于EMD和VARMA模型的改进方法,由该方法所得Hilbert谱不仅更具物理意义而且分辨率和可读性更好。2.地震动的非平稳特性及仿真方法采用两种强度包线模型研究了地震动强度非平稳特性,基于所收集的翔实的(5700余条)强震记录分析了强度包线参数的多维相关性及衰减规律,并给出了强度包线参数的设计取值建议;提出了指数衰减曲线形式的地震动瞬时频率模型,分析了瞬时频率参数的多维相关性及衰减规律,并给出了设计取值建议;提出了时频域彼此独立的函数乘积形式的地震动瞬时谱模型,为结构抗震设计和分析用地震动输入的选择提供了一个重要的参考指标,为同时考虑强度和频率非平稳特性的地震动仿真与合成奠定了基础;提出了基于改进信号处理方法及模型化瞬时谱的地震动合成与仿真方法,为结构抗震设计和分析提供了更合理的地震动输入。3.结构损伤识别基于振动信号完备信息提取的思路,提出了三种改进的结构损伤识别方法,由于改进方法采用了具有时变特性的损伤指标,因此不仅具有较好的适用性、敏感性和抗噪性,而且解决了现有常规方法无法对结构损伤(包括多处损伤)的发生时间、先后次序、严重程度及累积发展过程等细节进行描述的难题。论文以信号处理为纽带,将地震动输入和结构损伤识别这两个地震工程中看似不相关的重要内容联系起来,研究成果不仅有利于地震动特性的全面认识,从而为结构抗震设计和分析提供更合理的输入,而且也为结构损伤识别提供了一条新途径。最后,论文分析了目前研究的不足,并对今后的研究方向进行了展望。