本文在总结国内外抗震研究成果及相关规范的基础上，结合我国多层立交结构建设实践，采用多级设防思想和弹塑性纤维模型分析法，通过理论公式推导和有限元数值分析，对城市多层立交结构的抗震设防水准、抗震性能水平和目标、塑性铰、延性能力及抗震设计计算方法进行研究，主要完成以下工作：以国内外抗震研究成果及相关规范为基础，考虑我国目前的经济状况及与现行规范的衔接，通过分析归纳等方法，对城市多层立交结构提出5级抗震设防水准，并给出每一等级下构件灾害状态；将城市多层立交桥梁按照重要性分类，提出不同类型结构的性能目标矩阵及抗震设防水准所对应的性能目标图，方便在实际工程中参考应用。采用有限元非线性时程分析方法，研究多层立交桥梁上下部结构14种连接形式、竖向4种地震波荷载分量及4种阻尼比大小等因素对结构自振特性、顺桥向及横桥向地震响应的影响，得出其地震力响应特征规律；结合实际工程经验公式及规范要求，从结构振型取用、支座形式设置、伸缩量确定、墩柱弹性阶段“双控目标”的确定、阻尼比及竖向分量选取等6个方面对多层立交结构动力响应进行分析，并给出抗震设计建议。采用弹塑性纤维模型分析法，考虑动轴压、主梁刚度及高阶振型耦合效应的影响，研究多层立交桥梁主要构件的塑性铰出铰顺序、随时间的发展变化、结构耗能能力、塑性铰转角大小及时程变化、墩顶位移、截面实际破损状态及破损状态与其余指标的对应关系等。在此基础上，通过理论分析，提出利用截面曲率作为多层立交结构墩柱延性性能指标来定量描述截面破损状态的方法。基于常见的截面破损模型，结合多层立交结构延性性能特征，根据平截面假定及力的平衡原理，推导了材料应变与曲率系数的关系公式；通过建立结构抗震性能水准与曲率系数的联系，推导了曲率系数与性能水准的定量关系公式；并提出利用曲率系数定量表示截面破损指标的方法；在此基础上，进一步建立基于曲率延性系数的截面破损指标与性能水准关系公式。采用前文推导公式以及几何加权分配思想，将构件截面破损指标进行权重分配，建立基于曲率延性系数的单个构件及整体结构损伤程度的模型，并利用此模型分析了多层立交结构单个构件及整体结构延性性能。在建立结构整体破损指标的基础上，提出基于曲率延性系数的结构弹塑性阶段设计方法及详细流程；结合现行城市桥梁抗震规范，系统地提出一套基于性能的多层立交结构抗震性能设计方法。