竖向地震动的作用在目前许多国家的抗震设计规范中仅对重要建筑才被重点考虑,对于一般建筑则往往被忽略或是简化;与之对应,目前的地震动研究也主要集中于水平地震动。然而许多震害调查结果显示不仅是重要建筑,一些一般建筑的破坏也归因于竖向地震动的影响,表明了竖向地震动研究的重要性。本文基于地震动产生的物理机制,使用日本Ki K-net地震动观测记录开展了竖向线性场地反应、竖向非线性场地反应、场地泊松比的原位特性、竖向地震设计反应谱四方面研究,旨在揭示竖向场地反应的部分机理及竖向设计反应谱的统计规律,为建筑的竖向抗震设防提供参考。论文完成的主要工作与成果如下:（1）竖向线性场地反应研究。使用井上井下谱比法估计了场地的地震动傅里叶幅值谱比,基于此识别了场地的卓越频率与各阶固有频率;研究了场地卓越频率的离散性与各阶固有频率的分布规律,分析了竖向场地反应对水平竖向谱比法估计结果的影响。结果表明:场地卓越频率主要分布于前六阶模态,竖向地震动对应的卓越频率更集中在低阶模态;场地固有频率与基本频率之比除了和阶数有关之外还和基本频率有关且可用双曲线模型描述,整体上看,高阶模态对应模型的相关性高于低阶模态,同样阶数,竖向地震动对应模型的相关性更高;水平竖向谱比法的估计结果可能由于竖向场地反应的影响而发生结果中某些模态对应波峰丢失的情况,主要出现于二阶固有频率处。（2）竖向非线性场地反应研究。引入时频分析技术增加了强震记录的数目,使用地震干涉测量法从地震记录中估计了场地的地震波速,结合土动力参数法提取了对应的场地模量与应变;基于一维场地反应理论与土力学理论,提出了可考虑地下水影响的场地全局压缩模量衰减模型,利用该模型基于从地震记录中提取出的场地模量与应变研究了场地的竖向非线性行为。结果表明:实际场地的全局压缩模量衰减曲线存在衰减下限,且与地下水位与围压均呈负相关;场地竖向线性阈值对应的水平峰值地面加速度可能低至30 cm/s~2,整体上高于水平地震动对应的结果;地下水会抑制场地的竖向非线性程度,同样的大应变条件下,压缩模量的衰减幅度小于对应剪切模量的衰减幅度,呈现出显著的不同步性,侧面显示了场地泊松比的非线性行为。（3）场地泊松比的原位特性研究。基于上一章的研究成果,结合土力学理论提出了从地震记录中估计场地泊松比随应变变化曲线的方法,针对地下水位在土层以下的场地结合水平竖向谱比法提出了分辨率更高的估计方法;在目前已有研究成果的基础上,提出了考虑岩层影响的修正等效围压估计模型;基于使用上述方法得到的估计结果,分别研究了场地泊松比的小应变性质与非线性性质。结果表明:地下水会增加小应变条件下的场地泊松比且其影响具有阈值效应;含有致密弱透水性岩层的场地的小应变泊松比整体上小于含有疏松强透水性岩层的场地,且两者均小于纯土层场地;地下水会提高场地泊松比的变化阈值。通过分析围压、地下水、岩性对小应变场地泊松比的影响,建立了基于场地条件估计小应变场地泊松比的经验模型。（4）竖向地震设计反应谱研究。分别研究了差分进化算法与模拟退火算法在设计反应谱标定中的算法参数设定并对比了两种方法的适用性,发现差分进化算法各方面均优于模拟退火算法;使用本研究优化的标定方法基于地震记录标定了竖向设计反应谱,给出了竖向设计反应谱特征参数在不同情况下的统计值,针对竖向设计反应谱的特征参数开展了影响因素研究。结果表明:震级对特征参数的影响较震中距更明显,整体上震级与特征周期正相关,与放大系数负相关;竖向与水平设计反应谱的特征周期之间的关系可用双对数指数模型描述,且该模型可能具有一定程度的区域无关性。基于目前已有研究成果归纳出了场地系数的整体性规律,以此为基础结合观测结果给出了竖向设计反应谱场地系数的建议值。