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摘要：基于性能的抗震设计理论是90年代国际地震工程界提出的新概念。是抗震设计理念上的一次变革，受到国内外的广泛关注和研究，被认为是未来抗震设计的发展方向。本文基本阐述了基于结构性能的抗震设计理论产生的背景、基本内容以及发展概况，初步讨论了现阶段进行结构性能抗震设计的方法和步骤。
关键词：抗震设计；基于性能；性能水准；性能目标
Abstracts: Performance-based seismic design theroy is the new earthquake engineering concept proposed by international earthquake engineering in the 90’s. It’s a revolution in seismic engineering, and was considered as the future direction of seismic design for development. So it was taken attention and studied at home and abroad. This paper describes the background, basic content and the development of the performance-based seismic design theory, and it make a preliminary discussion of the methods and procedures for the current seismic design under the performance-based seismic design theory.
Key words: Seismic design, Based on performance, Performance level, Performance objectives.
引言
现行的各国抗震规范大多采用以地面运动加速度反应谱为基础，按结构延性调整结构反应的设计计算方法。抗震设计的基本目的是保障生命安全，然而近十几年来大震震害却显示，按现行规范设计和建造的建筑物，虽然在地震中没有倒塌保障了生命安全，但其破坏却造成了严重的直接和间接的经济损失，甚至影响到社会的发展，而且这种破坏和损失往往超出了设计者、建造者和业主原先的估计。因此，20世纪90年代初基于结构性能的抗震设计理论由美国科学家和工程师首先提出来，可概括为：基于性能的抗震设计理论以结构抗震性能分析为基础，针对每一种抗震作用水准，将结构的抗震性能划分成不同等级，设计者根据结构的用途，业主、使用者及邻居的特殊要求，采用合理的抗震性能目标和合适的结构抗震措施进行设计，使结构在各种水准地震作用下的破坏损失，能为业主选择和承受，通过对工程项目进行生命周期的费效分析后达到一种安全可靠和经济合理的优化平衡。随后，这一理论引起了日本和欧洲地震工程界学者的极大兴趣，纷纷展开多方面的研究。近年来，我国学者也开始就这一理论展开讨论。
近年来地震震害分析
当前各国抗震设计理论多采用二级或三级设计思想，三级即“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防水准，并据此制定抗震规范和条例。按这种以保障生命安全为基本目标的抗震设计理论所设计的建筑物，在震中基本保证了人员的安全，却不能有效地控制地震破坏所造成的直接和间接的经济损失。例如，2008年发生在四川省汶川县里氏震级8.0级的大地震地震导致69197人遇难，直接经济损失8451亿元人民币。发生在今年四月的震级为里氏7.1级的中国玉树地震造成2698人遇难，20万人受灾，经济损失超过800亿。发生2010年1月的海地地震造成11.3万人丧生，造成的经济损失约为77.5亿美元。上述震害更使我们认识到过去的规范仅以保证人的生命安全为目标的设计理论，在抗震设计理念、适应社会需求等方面都存在一定问题。实际上，社会和公众对结构抗震性能存在多种层次的要求。如何改进现行的抗震设计理念，使结构在未来地震中的抗震性能达到人们的预定目标，这是摆在地震工程学界面前的重要课题。
现行抗震设计方法的缺陷
目前国际上所广泛采用的抗震设计方法主要为反应谱法和时程分析法，这两种方法是在以往的震害经验和当时的理论基础上发展形成的，随着建筑物形式的不断变化，地震震害也出现新的特点，反应谱法和时程分析法已渐渐难以满足现有结构的抗震设防要求了。反应谱给出的是结构体系的周期与最大反应（加速度、相对加速度、相对位移）的关系曲线。目前，反应谱法已在许多国家的工程结构抗震规范中得到应用。但是，目前所广泛才采用的反应谱法仍存在许多不足之处：首先，反应谱法不能有效地考虑强震时结构的非线性行为；其次，不能考虑土与结构之间的动力相互作用；再次，不能考虑地震动持时长短的影响；并且，反应谱理论只能給出结构的最大地震反应，不能给出结构反应的全过程，以及结构各构件的破坏机理；此外，反应谱法对于非比例阻尼结构以及不规则结构的分析效果还不甚理想。
对于结构进行动力时程分析需要考虑的因素有：地震动输入要符合当地场地情况，对复杂结构要给出三个分量的过程及其空间相关性；结构和构件的动力模型要能真实反映实际情况，能包括非线性特性，动力分析要能够考虑积累损伤、土与结构相互作用、地震波的相位差等。时程分析所用的地震波为实际的强震记录或人工地震波，结构对不同的地震波输入的敏感度不同，输入后反应将会有较大的差异，这让设计人员也往往无所适从，难以定论。
我国现行的结构抗震设计是基于承载力或强度的设计方法，即采用弹性方法计算结构在小震作用下的内力和位移，用计算所得的组合内力验算构件截面，使构件具有一定的承载力。同时，为了防止非结构构件发生破坏，还要进行使用阶段的位移验算。对结构的延性和耗能能力大多是通过构造措施获得的。规范采用的“三水准”设防目标和“两阶段”抗震设计方法建立在定义结构的可靠度为结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率的基础上。表1中列出了我国抗震设计规范所采取的地震水准、结构性态水准和性态指标。表2列出了我国建筑抗震设防分类和设防标准的具体要求，体现了建筑按功能分类设计的思想。
表1我国抗震设计规范所采取的地震水准、结构性态水准和性态指标
表2 我国建筑抗震设防分类和设防标准
这里的“功能”指的是正常情况下结构能够承受可能出现的各种作用、保证结构的工作性态和耐久性态及在偶然事件中的整体稳定性。从某种意义上说，中国的抗震设计规范已包含了某些基于结构性态设计的思想，但在结构功能不断细化的今天，现行指导抗震设计的规范仍有不足之处：
（1）设防烈度（地震动）单纯依据地震区划的结果以及部分工程抗震经验来确定，很少或没有考虑设防烈度的取值对经济损失或人员伤亡的定量或半定量的影响，从而难以通过设防列队（地震动）的取值来控制未来地震的经济损失和人员伤亡。
（2）与结构性态有关的设计参数选择不适当。
现行抗震设计是基于承载力或强度的设计方法，但通过对历次地震震害的调查分析发现，在一些地震动的某些区段内，对结构破坏起控制作用的因素不是力而是速度和位移，因此，结构的抗震设计应该不仅仅是基于强度的设计。
（3）业主的要求得不到满足，损失控制不力。
由于主体结构的破坏与人身安全的关系最大，现行设计理念对主体结构破坏所造成的损失是重视的，但对非主体结构的破坏，内部设施的损坏和功能失效等所造成的损失却估计不足。
（4）规范的形态概念不明确，设计透明度小。
现行规范没有把功能或损失从定量的意义上清楚的定义为多级设防的目标。现行抗震设计方法是以规定的地震力来验算结构截面及变形以确认是否达到想象中的抗震性态，而不是以科学的性态评价为基础。业主对设计的结构性态可能完全不清楚，甚至设计人员对多级设计保证的抗震性态也并非真正领悟。规范通常通过经验系数和细部构造把复杂的抗震设计问题简化，设计出的建筑物只是达到了规范或結构工程师认为合理的性态，整个建筑物和地基系统在地震中所表现的性态对设计者越来越模糊。
（5）规范标准缺少灵活性。
设计者在设计过程中为稳妥起见，只按规范条款设计，不大会采取规范没能体现出来的、有利于抗震性态的新技术，使新技术的推广应用受到限制。而且，这些条款在某种程度上已经成为一种性态水平固定的模式和普遍适用的标准，约束了业主和设计者的主动性。
（6）设计方法具有不足之处。
目前结构抗震设计规范采用弹性加速度反应谱，用具有质量m、弹性周期T和阻尼比的单自由度体系来表示结构，这种基于承载力（或强度）的设计方法还有值得商榷之处：（1）、由于结构的基本周期未知，需要根据经验公式对其基本周期进行估算，影响因素众多，通常使得结构的设计偏于保守；（2）、规范采用的是设计地震对应的多遇地震弹性反应谱，由于结构在设计地震作用下很可能已进入非线性状态，所应用的弹性反应谱计算的地震作用需要进行折减，而折减系数需要考虑多种因素的综合作用；（3）、对结构的位移，虽然很多规范都给出了结构对应的位移限值，但只是将位移作为设计的第二步来验算，这导致设计者不能有效把握结构在地震特别是大震作用下变形行为。
基于性能的抗震设计理论研究的内容
基于性能的抗震设计理论是以结构抗震性能分析为基础，根据设防水准的不同，将结构的抗震性能划分为不同的等级，设计者可根据业主的要求，确定合理的抗震性能指标和合理的结构措施。
我国“三水准，两阶段”具有基于性态设计的雏形，但是两者又有巨大的区别。基于性态的抗震设计要求结构在不同水平地震作用下具有明确的性态水平，而目前抗震方法尽管也提出三个水准，但是并没有被明确具体量化，建筑功能很难在实际设计中得到保证。在基于性态的抗震设计中，目标性态水平的确定要综合考虑社会的经济水平、建筑物的重要性以及建筑物的造价、保养、维修以及可能遭受地震作用下的直接和间接损失来优化确定，这里的性态水平是针对整个结构体系的，而目前的抗震设计规范只针对结构构件和非结构构件，并没有对整个结构提出明确的性态水平。基于性态抗震设计方法可以满足不同业主提出的不同设计要求，发挥设计者的创造性，同时也有利于新材料和新技术的应用。
1995年，美国加州结构工程师协会在Vision2000文件中首次正式阐明了针对建筑结构的基于性态的抗震设计思想。基于性态的抗震设计思想主要包括结构抗震性态等级的定义、抗震性态目标的选择以及通过正确设计实现性态目标三部分。对于具体的工程结构，基于性态的抗震设计过程是：首先，设计人员提出几种抗震性态目标及对应的造价；其次，由社会团体或业主选择结构应达到的性态目标；最后由设计人员根据所选定的性态目标进行抗震设计，使结构满足预期的抗震性态目标。基于结构性能的抗震设计理论的基本内容包括地震设防水准、结构抗震性能目标和结构抗震设计方法等三方面。
4.1 地震设防水准
地震设防水准是指未来可能施加于结构的地震作用的大小。由于地震设防水准直接关系到未来结构的抗震能力，因此地震设防水准的选择在基于结构性能设计的理论中占有重要地位。Vision2000在关于结构性能设计的研究报告中，建议设防地震等级如表3所示。
表3Vision2000中的设防地震等级的划分
4. 2 结构抗震性能水准
结构抗震性能水准表示结构在特定的某一地震设计水准下预期破坏的最大程度。结构和非结构的破坏以及因它们破坏引起的后果，主要用结构破坏程度、结构功能性和人员安全性来表达；对于不同等级的抗震性能，都应根据结构类型、整体结构、竖向和横向承载构件、性能水准、结构变形、设备装修、修复使用等方面加以定义，应该表达为量化指标，以便工程设计和评估。表4为对结构性能等级的描述。
表4 结构抗震性能等级及其划分方法
Vision 2000针对建筑结构定义了四个可接受的抗震性态等级，即：
等级1 完全保持正常使用功能：建筑物基本未遭受破坏，可完全正常地投入使用；
等级2 维持一定的使用功能：非关键设备或设施遭受较小的破坏，建筑物可继续使用；
等级 3 确保生命安全：建筑物遭受中等或大范围破坏，但生命安全无忧；
等级 4 不倒塌：建筑物破坏严重，生命安全受到威胁，但不会倒塌。
建筑结构的抗震性态目标选择示于图1.1。抗震性态目标定义为在预期设计地震下结构应达到的性态等级。图中，三条斜线分别代表三个可供选择的抗震性态目标，从上到下分别为基本目标、提高目标1和提高目标2。对于一般建筑物可选择基本目标，对于重要建筑物（如医院等）一般选择提高目标1，而对于会引起严重次生灾害的建筑物（如核电站等）一般选择提高目标2。越高的性态目标意味着越高的工程造价。
图1 结构的设防目标与设防等级、抗震性能等级的关系
规范提出的抗震性能目标是最低标准，结构抗震性能目标可以根据业主的要求采用比规范的设防目标更高的设防标准。结构的设防目标与设防等级、抗震性能等级的关系如图1所示。
4. 3 基于性能的抗震设计方法
基于性能的抗震设计方法自提出以来，在国内外都受到广泛重视和研究，对基于性能的抗震设计的主要理念和目标，学术界也基本形成一致的认识。但是怎样把基于性能的抗震设计思想合理并且简单有效的应用到实际设计中，目前尚无统一的方法和标准。概括起来，基于性能的抗震设计方法主要有承载力设计方法、直接基于位移进行抗震设计方法、能量设计法。
（1）承载能力设计方法
这是我国规范现阶段采用的设计方法，对于常遇地震，利用反应谱计算底部剪力，然后按一定规则分配至结构全高并与其他荷载组合，进行结构的强度设计，使结构的各部分都具有足够的承载能力，然后再进行变形验算。承载力能力设计方法的优点是为设计人员所熟悉，并易于使用，性能概念清楚，细部设计可靠，通过非线性静力分析验算，进一步增强了对结构非线性反应的控制，可以更好地达到预期性能目标。缺点是该方法基于弹性反应，对于非弹性反应仅用于结构类型有关的系数加以折减，表面上它控制整个性能目标，实际上却只是保证了一种性能目标。
（2）直接基于位移进行抗震设计
该方法采用结构位移作为结构性能指标，与传统方法相比，基于位移的抗震设计方法从根本上改变了设计过程。主要不同是，该方法用位移作为整个抗震设计过程的起点，假定位移或层间位移是结构抗震性能的控制因素。设计时用位移控制，通过设计位移谱得出在此位移时结构有效周期，求出此时结构的基底剪力，进行结构分析，并且进行具体配筋设计。设计后用应力验算，不足的时候用增大刚度而不是强度的方法来改进，以位移目标为基准来配置结构构件。该法考虑了位移在抗震性能中的重要地位，可以在设计初始就明确设计的结构性能水平，并且使设计的结构性能正好达到目标性能水平，是性能设计理论中很有前途的一种方法。但应用于多自由度体系、多种结构类型等时，还需要做更多的研究。
（3）能量法
假设结构破坏的原因是地震输入的总能量，地震对结构物及其内部设施的破坏时由其输入的能量与结构物所消耗的能量共同决定的。能量设计法的优点就在于，能够直接估计结构的潜在破坏程度，对结构的滞回特性以及结构的非线性要求概念清楚。另外，耗能元件的设置可以更好地控制损失。缺点在于应用方法不够简化，不确定因素较多。
可见，基于性态的结构抗震设计，实际上是对人们早已认识的“多级抗震设防” 思想的进一步的细化。这一设计思想使抗震设防目标与设计过程直接相联系，设计工程师可以更准确地把握结构在不同的地震动水平下的实际性态，使所设计的结构更加经济合理。
5国内外的研究与应用发展
自基于结构性能的抗震设计理论提出以来，建立以结构功能评价为理论基础的结构设计体系是近几年美国、日本和新西兰等国家的研究课题。美国成立放眼21世纪委员会，其目的是建立新的结构性能设计体系的框架。1995年4月，日本建设省启动了一项3年联合研究开发项目，称为“建筑结构现代工程方法开发”。该项目旨在建立基于性能的结构工程方法以推动技术革新。另外，欧洲国家和拉美国家也在进行此項研究，中国这方面研究还处于起步阶段。
在未来应用方面，美国《洛杉矶性能高规2005》和《旧金山市性能高规2007》已清晰展现了性能设计方法用于高层建筑结构的具体技术框架，可供我国相应规范进行修订时的参考：
（1）在三水准地震作用下，分别从正常使用、生命安全和防止倒塌三个极限状态对结构进行分析和设计，保证结构满足以上三个极限状态的性能目标。
（2）基本设计地震（中震）作用下的结构分析应考虑P-△效应、基础刚度、偶然偏心的影响，但取消（或放松）剪重比限值和层间位移限值。
（3）小震作用下正常使用极限状态只在特殊的情况下才要求进行结构计算分析，并应考虑预期地震水平和结构累计损伤程度，可以采用线性反应谱分析方法，也也可以采用时程分析法。
（4）Pushover方法不再适用于高层建筑，应采用三维非线性时程分析方法，荷载组合考虑双向地震作用。结构非线性分析反应的评估应引入能力设计的思想，将结构构件的评估分成三个水平：延性结构复核、有限延性结构复核和完全弹性状态的非延性结构复核。
（5）混凝土结构的弹性模量应考虑开裂、黏性滑移、屈服强化、剪切开裂后的受拉刚化、节点区变形等影响，取其毛截面的0.5倍进行模量折减，或者根据试验数据拟合。
（6）地震时程记录的选取应满足场地特性与统计意义。
（7）非线性分析模型必须经过试验校正。
6结语
基于结构性能的抗震设计理论是以结构抗震性能分析为基础的结构设计，是设计理念上的一次变革，代表了未来结构抗震设计的方法，采用“投资-效益”准则下的抗震性能水准的划分、抗震性能目标的确定以及常用的性能抗震设计方法，将克服基于承载力的抗震设计不能预估结构屈服后的工作性能的缺陷，可充分发挥工程师的主动性，工程师可以根据实际情况与业主的要求及其它条件自主地选择结构性能目标水准、结构措施等。
7参考文献
[1]小谷俊介. 日本基于性能结构抗震设计方法的发展[J]. 建筑结构, 2000,(6):3-9
[2]韩小雷，郑宜，季静，黄艺燕.美国基于性能的高层建筑结构抗震设计规范[J]. 地震工程与工程振动, 2008, 28 (1) : 64- 70
[3]孙俊，刘铮，刘永芳.工程结构基于性能的抗震设计方法研究[J]. 四川建筑科学研究, 2005, 31(3):98-101
[4]李应斌，刘伯权，史庆轩.基于结构性能的抗震设计理论研究与展望[J]. 地震工程与工程振动, 2001, 21 (4) : 73- 79
[5]章红梅．剪力墙结构基于性态的抗震设计方法研究[D]．同济大学申请博士学位论文，2007，27(1)：56—57．
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：抗震设计；基于性能；性能水准；性能目标
Abstracts: Performance-based seismic design theroy is the new earthquake engineering concept proposed by international earthquake engineering in the 90’s. It’s a revolution in seismic engineering, and was considered as the future direction of seismic design for development. So it was taken attention and studied at home and abroad. This paper describes the background, basic content and the development of the performance-based seismic design theory, and it make a preliminary discussion of the methods and procedures for the current seismic design under the performance-based seismic design theory.
Key words: Seismic design, Based on performance, Performance level, Performance objectives.
引言
现行的各国抗震规范大多采用以地面运动加速度反应谱为基础，按结构延性调整结构反应的设计计算方法。抗震设计的基本目的是保障生命安全，然而近十几年来大震震害却显示，按现行规范设计和建造的建筑物，虽然在地震中没有倒塌保障了生命安全，但其破坏却造成了严重的直接和间接的经济损失，甚至影响到社会的发展，而且这种破坏和损失往往超出了设计者、建造者和业主原先的估计。因此，20世纪90年代初基于结构性能的抗震设计理论由美国科学家和工程师首先提出来，可概括为：基于性能的抗震设计理论以结构抗震性能分析为基础，针对每一种抗震作用水准，将结构的抗震性能划分成不同等级，设计者根据结构的用途，业主、使用者及邻居的特殊要求，采用合理的抗震性能目标和合适的结构抗震措施进行设计，使结构在各种水准地震作用下的破坏损失，能为业主选择和承受，通过对工程项目进行生命周期的费效分析后达到一种安全可靠和经济合理的优化平衡。随后，这一理论引起了日本和欧洲地震工程界学者的极大兴趣，纷纷展开多方面的研究。近年来，我国学者也开始就这一理论展开讨论。
近年来地震震害分析
当前各国抗震设计理论多采用二级或三级设计思想，三级即“小震不坏、中震可修、大震不倒”的设防水准，并据此制定抗震规范和条例。按这种以保障生命安全为基本目标的抗震设计理论所设计的建筑物，在震中基本保证了人员的安全，却不能有效地控制地震破坏所造成的直接和间接的经济损失。例如，2008年发生在四川省汶川县里氏震级8.0级的大地震地震导致69197人遇难，直接经济损失8451亿元人民币。发生在今年四月的震级为里氏7.1级的中国玉树地震造成2698人遇难，20万人受灾，经济损失超过800亿。发生2010年1月的海地地震造成11.3万人丧生，造成的经济损失约为77.5亿美元。上述震害更使我们认识到过去的规范仅以保证人的生命安全为目标的设计理论，在抗震设计理念、适应社会需求等方面都存在一定问题。实际上，社会和公众对结构抗震性能存在多种层次的要求。如何改进现行的抗震设计理念，使结构在未来地震中的抗震性能达到人们的预定目标，这是摆在地震工程学界面前的重要课题。
现行抗震设计方法的缺陷
目前国际上所广泛采用的抗震设计方法主要为反应谱法和时程分析法，这两种方法是在以往的震害经验和当时的理论基础上发展形成的，随着建筑物形式的不断变化，地震震害也出现新的特点，反应谱法和时程分析法已渐渐难以满足现有结构的抗震设防要求了。反应谱给出的是结构体系的周期与最大反应（加速度、相对加速度、相对位移）的关系曲线。目前，反应谱法已在许多国家的工程结构抗震规范中得到应用。但是，目前所广泛才采用的反应谱法仍存在许多不足之处：首先，反应谱法不能有效地考虑强震时结构的非线性行为；其次，不能考虑土与结构之间的动力相互作用；再次，不能考虑地震动持时长短的影响；并且，反应谱理论只能給出结构的最大地震反应，不能给出结构反应的全过程，以及结构各构件的破坏机理；此外，反应谱法对于非比例阻尼结构以及不规则结构的分析效果还不甚理想。
对于结构进行动力时程分析需要考虑的因素有：地震动输入要符合当地场地情况，对复杂结构要给出三个分量的过程及其空间相关性；结构和构件的动力模型要能真实反映实际情况，能包括非线性特性，动力分析要能够考虑积累损伤、土与结构相互作用、地震波的相位差等。时程分析所用的地震波为实际的强震记录或人工地震波，结构对不同的地震波输入的敏感度不同，输入后反应将会有较大的差异，这让设计人员也往往无所适从，难以定论。
我国现行的结构抗震设计是基于承载力或强度的设计方法，即采用弹性方法计算结构在小震作用下的内力和位移，用计算所得的组合内力验算构件截面，使构件具有一定的承载力。同时，为了防止非结构构件发生破坏，还要进行使用阶段的位移验算。对结构的延性和耗能能力大多是通过构造措施获得的。规范采用的“三水准”设防目标和“两阶段”抗震设计方法建立在定义结构的可靠度为结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率的基础上。表1中列出了我国抗震设计规范所采取的地震水准、结构性态水准和性态指标。表2列出了我国建筑抗震设防分类和设防标准的具体要求，体现了建筑按功能分类设计的思想。
表1我国抗震设计规范所采取的地震水准、结构性态水准和性态指标
表2 我国建筑抗震设防分类和设防标准
这里的“功能”指的是正常情况下结构能够承受可能出现的各种作用、保证结构的工作性态和耐久性态及在偶然事件中的整体稳定性。从某种意义上说，中国的抗震设计规范已包含了某些基于结构性态设计的思想，但在结构功能不断细化的今天，现行指导抗震设计的规范仍有不足之处：
（1）设防烈度（地震动）单纯依据地震区划的结果以及部分工程抗震经验来确定，很少或没有考虑设防烈度的取值对经济损失或人员伤亡的定量或半定量的影响，从而难以通过设防列队（地震动）的取值来控制未来地震的经济损失和人员伤亡。
（2）与结构性态有关的设计参数选择不适当。
现行抗震设计是基于承载力或强度的设计方法，但通过对历次地震震害的调查分析发现，在一些地震动的某些区段内，对结构破坏起控制作用的因素不是力而是速度和位移，因此，结构的抗震设计应该不仅仅是基于强度的设计。
（3）业主的要求得不到满足，损失控制不力。
由于主体结构的破坏与人身安全的关系最大，现行设计理念对主体结构破坏所造成的损失是重视的，但对非主体结构的破坏，内部设施的损坏和功能失效等所造成的损失却估计不足。
（4）规范的形态概念不明确，设计透明度小。
现行规范没有把功能或损失从定量的意义上清楚的定义为多级设防的目标。现行抗震设计方法是以规定的地震力来验算结构截面及变形以确认是否达到想象中的抗震性态，而不是以科学的性态评价为基础。业主对设计的结构性态可能完全不清楚，甚至设计人员对多级设计保证的抗震性态也并非真正领悟。规范通常通过经验系数和细部构造把复杂的抗震设计问题简化，设计出的建筑物只是达到了规范或結构工程师认为合理的性态，整个建筑物和地基系统在地震中所表现的性态对设计者越来越模糊。
（5）规范标准缺少灵活性。
设计者在设计过程中为稳妥起见，只按规范条款设计，不大会采取规范没能体现出来的、有利于抗震性态的新技术，使新技术的推广应用受到限制。而且，这些条款在某种程度上已经成为一种性态水平固定的模式和普遍适用的标准，约束了业主和设计者的主动性。
（6）设计方法具有不足之处。
目前结构抗震设计规范采用弹性加速度反应谱，用具有质量m、弹性周期T和阻尼比的单自由度体系来表示结构，这种基于承载力（或强度）的设计方法还有值得商榷之处：（1）、由于结构的基本周期未知，需要根据经验公式对其基本周期进行估算，影响因素众多，通常使得结构的设计偏于保守；（2）、规范采用的是设计地震对应的多遇地震弹性反应谱，由于结构在设计地震作用下很可能已进入非线性状态，所应用的弹性反应谱计算的地震作用需要进行折减，而折减系数需要考虑多种因素的综合作用；（3）、对结构的位移，虽然很多规范都给出了结构对应的位移限值，但只是将位移作为设计的第二步来验算，这导致设计者不能有效把握结构在地震特别是大震作用下变形行为。
基于性能的抗震设计理论研究的内容
基于性能的抗震设计理论是以结构抗震性能分析为基础，根据设防水准的不同，将结构的抗震性能划分为不同的等级，设计者可根据业主的要求，确定合理的抗震性能指标和合理的结构措施。
我国“三水准，两阶段”具有基于性态设计的雏形，但是两者又有巨大的区别。基于性态的抗震设计要求结构在不同水平地震作用下具有明确的性态水平，而目前抗震方法尽管也提出三个水准，但是并没有被明确具体量化，建筑功能很难在实际设计中得到保证。在基于性态的抗震设计中，目标性态水平的确定要综合考虑社会的经济水平、建筑物的重要性以及建筑物的造价、保养、维修以及可能遭受地震作用下的直接和间接损失来优化确定，这里的性态水平是针对整个结构体系的，而目前的抗震设计规范只针对结构构件和非结构构件，并没有对整个结构提出明确的性态水平。基于性态抗震设计方法可以满足不同业主提出的不同设计要求，发挥设计者的创造性，同时也有利于新材料和新技术的应用。
1995年，美国加州结构工程师协会在Vision2000文件中首次正式阐明了针对建筑结构的基于性态的抗震设计思想。基于性态的抗震设计思想主要包括结构抗震性态等级的定义、抗震性态目标的选择以及通过正确设计实现性态目标三部分。对于具体的工程结构，基于性态的抗震设计过程是：首先，设计人员提出几种抗震性态目标及对应的造价；其次，由社会团体或业主选择结构应达到的性态目标；最后由设计人员根据所选定的性态目标进行抗震设计，使结构满足预期的抗震性态目标。基于结构性能的抗震设计理论的基本内容包括地震设防水准、结构抗震性能目标和结构抗震设计方法等三方面。
4.1 地震设防水准
地震设防水准是指未来可能施加于结构的地震作用的大小。由于地震设防水准直接关系到未来结构的抗震能力，因此地震设防水准的选择在基于结构性能设计的理论中占有重要地位。Vision2000在关于结构性能设计的研究报告中，建议设防地震等级如表3所示。
表3Vision2000中的设防地震等级的划分
4. 2 结构抗震性能水准
结构抗震性能水准表示结构在特定的某一地震设计水准下预期破坏的最大程度。结构和非结构的破坏以及因它们破坏引起的后果，主要用结构破坏程度、结构功能性和人员安全性来表达；对于不同等级的抗震性能，都应根据结构类型、整体结构、竖向和横向承载构件、性能水准、结构变形、设备装修、修复使用等方面加以定义，应该表达为量化指标，以便工程设计和评估。表4为对结构性能等级的描述。
表4 结构抗震性能等级及其划分方法
Vision 2000针对建筑结构定义了四个可接受的抗震性态等级，即：
等级1 完全保持正常使用功能：建筑物基本未遭受破坏，可完全正常地投入使用；
等级2 维持一定的使用功能：非关键设备或设施遭受较小的破坏，建筑物可继续使用；
等级 3 确保生命安全：建筑物遭受中等或大范围破坏，但生命安全无忧；
等级 4 不倒塌：建筑物破坏严重，生命安全受到威胁，但不会倒塌。
建筑结构的抗震性态目标选择示于图1.1。抗震性态目标定义为在预期设计地震下结构应达到的性态等级。图中，三条斜线分别代表三个可供选择的抗震性态目标，从上到下分别为基本目标、提高目标1和提高目标2。对于一般建筑物可选择基本目标，对于重要建筑物（如医院等）一般选择提高目标1，而对于会引起严重次生灾害的建筑物（如核电站等）一般选择提高目标2。越高的性态目标意味着越高的工程造价。
图1 结构的设防目标与设防等级、抗震性能等级的关系
规范提出的抗震性能目标是最低标准，结构抗震性能目标可以根据业主的要求采用比规范的设防目标更高的设防标准。结构的设防目标与设防等级、抗震性能等级的关系如图1所示。
4. 3 基于性能的抗震设计方法
基于性能的抗震设计方法自提出以来，在国内外都受到广泛重视和研究，对基于性能的抗震设计的主要理念和目标，学术界也基本形成一致的认识。但是怎样把基于性能的抗震设计思想合理并且简单有效的应用到实际设计中，目前尚无统一的方法和标准。概括起来，基于性能的抗震设计方法主要有承载力设计方法、直接基于位移进行抗震设计方法、能量设计法。
（1）承载能力设计方法
这是我国规范现阶段采用的设计方法，对于常遇地震，利用反应谱计算底部剪力，然后按一定规则分配至结构全高并与其他荷载组合，进行结构的强度设计，使结构的各部分都具有足够的承载能力，然后再进行变形验算。承载力能力设计方法的优点是为设计人员所熟悉，并易于使用，性能概念清楚，细部设计可靠，通过非线性静力分析验算，进一步增强了对结构非线性反应的控制，可以更好地达到预期性能目标。缺点是该方法基于弹性反应，对于非弹性反应仅用于结构类型有关的系数加以折减，表面上它控制整个性能目标，实际上却只是保证了一种性能目标。
（2）直接基于位移进行抗震设计
该方法采用结构位移作为结构性能指标，与传统方法相比，基于位移的抗震设计方法从根本上改变了设计过程。主要不同是，该方法用位移作为整个抗震设计过程的起点，假定位移或层间位移是结构抗震性能的控制因素。设计时用位移控制，通过设计位移谱得出在此位移时结构有效周期，求出此时结构的基底剪力，进行结构分析，并且进行具体配筋设计。设计后用应力验算，不足的时候用增大刚度而不是强度的方法来改进，以位移目标为基准来配置结构构件。该法考虑了位移在抗震性能中的重要地位，可以在设计初始就明确设计的结构性能水平，并且使设计的结构性能正好达到目标性能水平，是性能设计理论中很有前途的一种方法。但应用于多自由度体系、多种结构类型等时，还需要做更多的研究。
（3）能量法
假设结构破坏的原因是地震输入的总能量，地震对结构物及其内部设施的破坏时由其输入的能量与结构物所消耗的能量共同决定的。能量设计法的优点就在于，能够直接估计结构的潜在破坏程度，对结构的滞回特性以及结构的非线性要求概念清楚。另外，耗能元件的设置可以更好地控制损失。缺点在于应用方法不够简化，不确定因素较多。
可见，基于性态的结构抗震设计，实际上是对人们早已认识的“多级抗震设防” 思想的进一步的细化。这一设计思想使抗震设防目标与设计过程直接相联系，设计工程师可以更准确地把握结构在不同的地震动水平下的实际性态，使所设计的结构更加经济合理。
5国内外的研究与应用发展
自基于结构性能的抗震设计理论提出以来，建立以结构功能评价为理论基础的结构设计体系是近几年美国、日本和新西兰等国家的研究课题。美国成立放眼21世纪委员会，其目的是建立新的结构性能设计体系的框架。1995年4月，日本建设省启动了一项3年联合研究开发项目，称为“建筑结构现代工程方法开发”。该项目旨在建立基于性能的结构工程方法以推动技术革新。另外，欧洲国家和拉美国家也在进行此項研究，中国这方面研究还处于起步阶段。
在未来应用方面，美国《洛杉矶性能高规2005》和《旧金山市性能高规2007》已清晰展现了性能设计方法用于高层建筑结构的具体技术框架，可供我国相应规范进行修订时的参考：
（1）在三水准地震作用下，分别从正常使用、生命安全和防止倒塌三个极限状态对结构进行分析和设计，保证结构满足以上三个极限状态的性能目标。
（2）基本设计地震（中震）作用下的结构分析应考虑P-△效应、基础刚度、偶然偏心的影响，但取消（或放松）剪重比限值和层间位移限值。
（3）小震作用下正常使用极限状态只在特殊的情况下才要求进行结构计算分析，并应考虑预期地震水平和结构累计损伤程度，可以采用线性反应谱分析方法，也也可以采用时程分析法。
（4）Pushover方法不再适用于高层建筑，应采用三维非线性时程分析方法，荷载组合考虑双向地震作用。结构非线性分析反应的评估应引入能力设计的思想，将结构构件的评估分成三个水平：延性结构复核、有限延性结构复核和完全弹性状态的非延性结构复核。
（5）混凝土结构的弹性模量应考虑开裂、黏性滑移、屈服强化、剪切开裂后的受拉刚化、节点区变形等影响，取其毛截面的0.5倍进行模量折减，或者根据试验数据拟合。
（6）地震时程记录的选取应满足场地特性与统计意义。
（7）非线性分析模型必须经过试验校正。
6结语
基于结构性能的抗震设计理论是以结构抗震性能分析为基础的结构设计，是设计理念上的一次变革，代表了未来结构抗震设计的方法，采用“投资-效益”准则下的抗震性能水准的划分、抗震性能目标的确定以及常用的性能抗震设计方法，将克服基于承载力的抗震设计不能预估结构屈服后的工作性能的缺陷，可充分发挥工程师的主动性，工程师可以根据实际情况与业主的要求及其它条件自主地选择结构性能目标水准、结构措施等。
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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。