结构损伤诊断技术是当前结构工程学科十分活跃的研究领域并有广阔的工程应用前景,相关的理论和技术正在不断发展。而结构在地震作用下会产生不同程度的损伤,研究随机地震作用下结构的非线性动力响应是进行结构可靠性评估的重要步骤。基于信号分析的诊断方法可直接通过分析结构在动力荷载作用下的响应来得到结构的动力特性。时频分析方法是信号分析的主要方法之一,以往大多数时频分析方法均是针对传统的傅立叶分析进行修改后得到的。因此,傅立叶分析所存在的问题,如用谐波分量来表达信号中的突变,是一个时间区间上的积分平均。或者是由传统的频率定义所带来的问题,如时间分辨率和频率分辨率的矛盾,各种时频分析方法或多或少都存在,提高某一参数指标的同时往往以牺牲另一种参数指标为代价。近年来提出的希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang Transform,简称HHT)方法是一种新的信号处理技术,适合处理非线性、非平稳信号。它由美国宇航局的Norden E. Huang教授于1998年在经典的Hilbert变换基础上提出。该方法由经验模态分解(Empirical Mode Decomposition,简称EMD)与Hilbert谱分析(Hilbert Spectral Analysis,简称HSA)两部分组成。任意的非线性或非平稳信号首先经过EMD方法处理后被分解为若干个固有模态函数(Intrinsic Mode Function,简称IMF);然后对每个固有模态函数分量进行Hilbert谱分析得到相应的Hilbert谱;最后汇总所有固有模态函数分量的Hilbert谱就得到了原始信号的Hilbert谱。按照这种方法得到的Hilbert谱图在频率域-时间域中来描述原始信号,具有非常高的时频分辨率,从根本上克服了以往基于傅立叶分析的种种信号处理方法所存在的弊端,而且经验模态分解方法所得到的固有模态函数分量也具有明确的物理意义。本文首先简要介绍了Hilbert-Huang变换方法的具体实现以及该方法在具体实施时所存在的问题,对目前已有的改进方法进行了对比研究,并把该方法与现有的时频分析方法——短时傅立叶变换、小波变换做了简单的比较分析。然后把Hilbert-Huang变换方法应用于具有双线性滞回特征的单自由度结构地震响应分析和具有Bouc-Wen模型的单自由度结构自由振动和谐波激励下的响应分析,把该方法与带通滤波结合使用实现对结构动力特征的识别,为判断结构是否发生损伤提供一定的依据。之后用Hilbert-Huang变换方法分析多自由度框架结构地震作用下和调频调幅波激励下的动力响应,文中以三层剪切型框架结构为例,恢复力模型假定为双线型,结构加速度响应由MATLAB数值仿真求得。分析结果显示由于多自由度结构地震激励的频率范围较宽,导致得到的加速度响应的频率成分复杂,用Hilbert-Huang变换方法难以直接得到结构地震作用下的非线性时变特征。考虑到多自由度结构地震作用下的振动响应大多以一阶振型为主,所以本文引入等效单自由度来间接分析多自由度结构的动力特征。结果表明,利用等效单自由度结构的瞬时卓越频率可以得到多自由度结构的时变动力特征。最后,本文对典型的非线性系统——Duffing系统进行了非线性特征识别,进而对一根带裂缝的钢筋混凝土简支梁进行脉冲锤击动力试验,对测得的梁跨中加速度响应用Hilbert-Huang变换分析,得到该梁的非线性振动特征,分析表明该梁的非线性振动特征与Duffing系统的振动特征相似,近似为三次非线性振动。这一结果为根据结构的非线性动力特征来识别结构损伤提供了新思路。