竖向地震动会引发附加P-Δ倾覆效应，会对大跨桥梁、高坝、储液罐、核电设施等重大工程造成严重震害破坏。已有观测证实，近断层区域竖向地震动幅值甚至可超过水平向地震动。当前全球通用抗震设计普遍采用“竖向地震动取水平向⅔”的简化假定，我国现行抗震设计规范则规定竖向设计地震动为水平向的⅔～1倍。从机理层面来看，竖向、水平向地震动在震源辐射模式、传播衰减规律、场地放大效应上存在本质区别。仅依靠固定比例缩放水平向地震动，既无法还原竖向地震动真实演化特征，还会造成结构地震风险被低估或高估。

西南地区是我国地震活动最强烈的区域之一，汶川、芦山、九寨沟等大震和强震均发生于此，区域内密布大跨桥梁、高坝、长输管道等对竖向地震动高度敏感的重大基础设施。然而，该区域缺少一套与已有水平向地震动预测方程（ZYLW22 H-GMPE，Zhang等，2022）函数形式统一、可配套使用的竖向地震动预测方程（V-GMPE），难以实现竖向/水平向（V/H）谱比的无偏估算。

针对上述问题，研究团队开展专项建模分析：选取2008–2022年西南地区116次主震对应的1935条竖向强震动记录，震级范围M_W4.0–7.9，断层距R_rup；震中与断层空间分布如图1A所示。数据处理采用NGA-West2标准化流程消除低频基线漂移，设置五阶非因果Butterworth带通滤波；结合信噪比、震源谱特征确定高通截止频率，确定数据可用周期0.01–8s（图1B）；同时采用R_max截断法剔除信噪比过低、滤波失真的无效观测样本。本次构建的V-GMPE完全沿用ZYLW22 H-GMPE的函数形式，可消除因函数形式差异带来的V/H谱比系统性偏差，保障比值估算精度。

图1 A）选取的西南地区116次主震分布、B）不同周期处可用的地震和记录数目

研究通过V-GMPE的事件间残差、事件内残差随预测变量的分布趋势，以及V-GMPE预测值与观测值的对比来分析验证模型的可靠性。事件间残差相对于M_W、Z_TOR在零值附近-1~1之间均匀分布，无系统分布趋势或偏差（图2a）；事件内残差相对于R_rup、V_S30在零值附近-2~2之间均匀分布，同样无系统性分布趋势或偏差（图2b）。图3显示，每个距离或震级范围内的预测曲线在相应距离或震级区间内与观测数据吻合良好。上述结果表明，V-GMPE的预测值与观测数据能很好地匹配，证明了V-GMPE的可靠性。在周期0.08～8s范围内，V-GMPE与H-GMPE的总残差标准差在数值、随周期演化趋势基本一致，说明V-GMPE和H-GMPE具有相近的随机变异性，开展地震风险评估时可同步采用两套模型的标准差参数计算V/H谱比。

图2 V-GMPE的（A）事件间残差随M_W、Z_TOR的分布，（B）事件内残差随R_rup、V_S30的分布

图3 V-GMPE的预测曲线与观测值的对比

依托V-GMPE模型，系统揭示竖向PGA、PGV及5%阻尼反应谱随断层距、震级、场地、断层类型的变化规律（图4）。V-GMPE很好地体现了大震近断层的震级饱和、距离饱和效应（图4A和4B）。短周期地震动（PGA及T=0.1s）在各震级下衰减速率基本一致，主要受路径效应控制；震级越大，中长周期（T=1.0、3.0、5.0s）地震动随距离衰减越慢，根源在于大震震源谱长周期能量更丰富，对应差异化几何衰减与非弹性衰减机制。图4C显示，近场4个震级的岩石/土层场地竖向反应谱峰值均出现在0.075s；而在远场，反应谱峰值周期随震级增大、场地变软向长周期偏移；西南地区盆地放大效应导致长周期竖向地震动显著放大。图4D显示V-GMPE的上下盘效应，短周期竖向地震动上盘放大效应显著；同等条件下逆断层短周期谱值高于正断层、走滑断层；下盘区域不同断层类型的中长周期反应谱差异很小。

图4 （A-B）V-GMPE的预测曲线随R_rup和M_W的衰减规律，（C）V-GMPE的预测反应谱值，（D）V-GMPE的上下盘效应

通过V-GMPE与ZYLW22 H-GMPE的预测值之比，研究系统计算了V/H谱比（图5）。在近断层区域，全周期V/H谱比随震级增大而减小；土层场地小震的V/H谱比最高可达2.68，远超现行规范0.5～1.0的取值范围，现有设计标准存在安全隐患。对于M_W7.5的近断层大震，岩石场地的V/H谱比在T=2s附近峰值可达1.71。这意味着长周期结构承受的竖向地震作用可超过水平向，现行规范取值不适用于长周期结构在近断层大震作用下的情况。在远断层区域，土层场地的V/H谱比范围为0.61~1.50，岩石场地为0.34~1.76；长周期V/H谱比仍存在大于1.0的情况，说明远距离大震产生的长周期竖向作用同样不可忽视。短周期段（T<0.1 s）土层场地的V/H谱比显著大于岩石场地，这源于水平向分量在软土场地上的非线性衰减比竖向分量更为强烈，即软土场地对水平向地震动的“削弱”作用远大于对竖向的“削弱”作用；长周期段（T>1s）规律反转，岩石场地的V/H谱比更大。这一现象与Bozorgnia和Campbell（2016a）及Phung等（2022）在美国西部和中国台湾地区的研究结果显著不同，反映了西南地区独特的盆地放大效应和构造环境。

图6  V/H谱比随周期的变化特征

本研究V-GMPE适用范围：M_W≥4.0；逆冲断层M_W≤7.9、正断层M_W≤5.7、走滑断层M_W≤6.6；R_rup=10~300km（与震级相关）；V_S30=140~1130 m/s；Z_TOR=0~20 km；δ=20°~90°。

我国现行规范（如《公路桥梁抗震设计规范》（JTG/T 2231-01-2020）、《核电厂抗震设计规范》（GB 50267-2019））将竖向地震动取为水平向的0.5~1.0倍。本研究的结论表明：这一假设在部分情况下是合理的——对于近断层M_W7.5大震，V/H谱比在多数短周期范围内确实落在0.5~1.0区间；但必须考虑多因素的综合影响——震级、距离、场地条件和周期均对V/H谱比有显著影响，简单地统一取值无法反映真实的地震风险；长周期结构需特别警惕——对于自振周期较长的大跨桥梁、高耸建筑等，近断层大震的竖向地震动可能超过水平向，现行规范的规定可能并不适用。

本研究成果于2026年发表于国际知名权威地学期刊《Bulletin of the Seismological Society of America》（BSSA）。论文第一作者为中国地震局地震预测研究所张斌副研究员（vincent_zhang0322@163.com），通讯作者为预测所吕晓健研究员，合作者包括中国地质科学院地质力学研究所刘甲美副研究员、北京工业大学荣棉水研究员、李小军教授、中国地震局地球物理研究所俞言祥研究员。

本研究得到中央公益性科研院所基本科研业务费专项（CEAIEF20250202）、国家重点研发计划（2022YFC3003502，2022YFC3003503）联合资助。

论文信息：Bin Zhang, Xiaojian Lu, Jiamei Liu, Mianshui Rong Yanxiang Yu, and Xiaojun Li (2026). Vertical Ground-Motion Prediction Equation and Vertical-to-Horizontal Spectral Ratios of Peak Ground Acceleration, Peak Ground Velocity, and 5% Damped Response Spectra in Southwest China. Bulletin of the Seismological Society of America, 116(2): 738-754. DOI: 10.1785/0120250063.

撰稿人：张  斌

审稿人：吕晓健