地震动的特性是地震动输入研究的重要内容,在以往的地震动研究中主要通过幅值、持续时间和频谱三要素来描述地震动的特性,但仅靠三要素很难准确、全面描述地震动的特性,为了更加准确地描述地震动的特性,地震动的非平稳特性在通常情况下也是不可或缺的。而现代时频分析方法是地震动非平稳特性研究的有力工具,通过时间域与频率域的联合分布信息,可以清楚地描述信号频率随时间变化的关系,反映信号能量时-频分布的规律。目前,大多数研究中都仅单独考虑水平或竖向地震动分量的非平稳特性,而将地震动作为向量考虑则更易于全面反映和揭示地震动空间运动的本质和各地震动分量之间的固有的空间相关性。在前期已有研究中,已对地震动向量的幅值、频谱和持时三要素特性展开了研究。因此,本文以向量地震动的时频非平稳特性分析方法为主要研究内容,成果可为后续向量地震动时频特性的模型化研究提供理论分析工具,进而为全面认识向量地震动的工程特性、为结构提供更合理的向量(空间)地震动输入奠定基础。鉴于此,本文首先对传统地震动解析信号构造方法加以完善,利用地震动向量直接构造地震动解析信号,进而对地震动解析信号进行时频特性分析。其次,在对比不同时频分析方法的基础上,提出了一些分析向量信号时频特性的非参数化和参数化新方法,将地震动特性研究从独立分量研究层面拓展到向量化空间整体研究层面。主要工作和成果归纳为以下4个方面:(1)在Duhamel积分的基础上提出了一种新的非参数化时频分析方法——该方法在形式上与短时Fourier变换据具有一定相似性。将该方法与短时Fourier变换进行对比分析,并通过实际地震动信号时频分析结果验证该方法的有效性,研究其相对于其他非参数化方法独有的优势,如分析中时频窗大小可调、分析结果具有因果性、可直接根据分析结果得到信号的地震反应谱。在此基础上,将该方法与EMD方法相结合起来对信号进行时频特性分析,改善了Hilbert-Huang变换(HHT)方法中Hilbert谱分析受限的问题。(2)将HHT时频分析方法从一维拓展到了三维,基于能量叠加原理实现了从一维到三维EMD方法分解信号所对应的频谱特性表示方法,改善了时频分析结果的分辨率与可读性,为向量地震动分析提供了一种新的思路与方法。(3)考虑到ARMA模型参数与弹性单自由度体系之间的等价关系,建立基于时不变ARMA模型的参数化信号时频分析方法,该方法具有计算效率高、频谱图分辨率高等优点。针对HHT方法中Hilbert谱分析受限的问题,提出了基于时变ARMA模型计算分解信号瞬时频率的改进方法,该方法得到的Hilbert谱谱线光滑、分辨率高。(4)基于两种时变VARMA模型(单输入多输出模型和多输入多输出模型),提出了向量地震动实现对不同情况下向量地震动的时频分析,并得到了较为理想的分析结果。VARMA模型方法同样适用于其他多维信号,可以应用到其他信号研究领域中。论文的创新点包括:(1)将地震动向量作为研究对象,可以更加全面地反映地震动各分量之间的空间相关性,有助于整体把握地震动的工程特性;提出直接根据正交的地震动分量构造解析信号的思路,使得瞬时频率以及瞬时振幅具有更加明确的物理意义,时频分析结果更具合理性;分别提出了参数化和非参数化两类向量地震动时频分析的改进方法,为揭示向量地震动的时频分布特征提供了有效的分析工具。(2)基于Duhamel积分思想提出了一种新的时频分析方法并加以应用拓展。(3)通过时不变ARMA模型和弹性单自由度体系之间的等价关系,提出了基于时不变ARMA模型的参数化信号时频分析方法;同时,提出两种基于时变VARMA模型的参数化分析方法并将其应用于实际向量地震动时频分析。论文提出的向量地震动时频分析方法为后续向量地震动能量-时域-频域分布特征及规律的模型化研究提供了分析工具,也为设计向量地震动输入研究奠定了基础。该方法同时可用于结构多点、多维地震反应的时频特性分析,因此本论文的研究成果在结构地震反应预测、系统辨识、健康监测和损伤识别等领域具有广阔的应用前景。