结构抗震性能设计是对传统结构设计思想的重大改进。其特点是:使抗震设计从宏观定性的目标向更为具体量化的多重目标转变, 业主或设计人员可以针对结构整体、局部以至单个构件选择不同的性能目标, 是一种更加精细化的设计方法。设计中更加注重针对性能目标的分析与论证, 有利于结构设计中采用规范标准中尚未规定的新体系、新技术或新材料, 有利于针对工程所面临的不同情况采用不同的性能目标和抗震措施, 因而是一种新的发展方向。目前美国、日本、新西兰以及欧洲等国家和地区规范已采用了该设计方法。中国2010年版的国家以及地方结构规范也逐渐引入了这一思想。

　　 2000年, 美国颁布了针对既有建筑的预备性规范FEMA356^[1]。FEMA356规定, 目标性能水平由结构性能水平和非结构性能水平共同组成, 通过不同结构构件性能段和非结构构件性能段的组合给出了总体性能水平。结构的目标性能水平分为正常运行OP、立即使用IO、生命安全LS、防止倒塌CP共四个等级。

　　 中国较早涉及性能设计的规范性文件为《建筑工程抗震性态设计通则 (试用) 》 (CECS 160—2004) ^[2]。该通则将抗震建筑按功能分为四类, 并规定了各类建筑在不同地震动水平下的最低抗震性态要求。现行国家和地方结构规范或规程中抗震性能设计方面的内容参照了美、日等国规范的规定并注意到与原有规范中相关内容的衔接。其中涉及性能设计的主要有《建筑抗震设计规范》 (GB 50011—2010) ^[3] (简称抗规) , 《高层建筑混凝土结构技术规程》 (JGJ 3—2010) ^[4] (简称高规) , 2013版广东省标准《高层建筑混凝土结构技术规程》 (DBJ 15-92—2013) ^[5] (简称广东高规) , 以及上海市工程建设规范《建筑抗震设计规程》 (DGJ 08-9—2013) ^[6] (简称上海抗规) 等。

　　 各规范在性能设计方面的规定不尽相同, 已有研究者注意到抗规和高规在某些规定上的差异^[7], 但还都不够系统。抗规附录M将抗震性能要求分为性能1~4共四级, 并对不同的性能要求做了规定, 给出了不同地震动水平下的计算公式。高规第3.11节规定了A, B, C, D共四级性能目标, 并提出了1~5共五级性能水准。每个性能目标均与一组在指定地震地面运动下的结构抗震性能水准相对应, 见表1, 其中, 各规范的3种地震动水准是对应一致的。高规对每一级性能水准规定了具体的计算公式和计算方法。广东高规第3.11节中四级性能目标和五级性能水准的对照关系与高规一致, 并规定了五个性能水准下构件承载力要求, 其具体计算方法与高规有所不同。上海抗规附录L也对性能设计做了规定。相比于高规中的规定, 上海抗规只包含了Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ共三级性能目标以及1~4共四级性能水准, 且这些性能目标及性能水准的具体要求与高规中的规定也有所区别。

　　 结构在地震中的表现以及震后所呈现的性能状态是业主十分关心的问题, 它直接反映建筑物在地震中的损失以及震后修复的难易程度, 因而既是一种安全指标也是一种经济效益指标。根据建筑物的重要程度及可能出现的性能状态或破坏情况等因素, 业主和设计人员可以选择所需要的结构整体性能目标, 再由设计人员根据整体性能目标确定结构各部分及各构件的细化目标, 并依此进行性能设计。

　　 FEMA356中针对不同性能水平的损伤状况进行了描述, 具体见表2。对比FEMA356以及高规中不同性能水平的破坏情况可以发现:OP相当于性能水准1, IO大致相当于性能水准3, LS大致相当于性能水准4, CP相当于性能水准5。

　　 高规中具体定义了结构的五级性能水准, 每种水准对应不同的宏观破坏状态, 分别为完好、基本完好 (轻微损坏) 、轻度损坏、中度损坏、比较严重损坏。上海抗规则定义了“完全可使用”、“基本可使用”、“修复后使用”、“生命安全”四级性能水准。抗规未明确定义性能水准, 只是将构件损坏状态分为6类, 分别为完好、基本完好、轻微损坏、轻-中等破坏、中等破坏、不严重破坏/接近严重破坏, 基本上是以承重构件的损坏程度和损坏比例为参照来划分的。

　　 高规和抗规关于结构性态的对比具体见表3。由表3可见, 两本规范的完好状态和基本完好状态都是对应一致的;抗规的轻微损坏对应于高规的轻度损坏;中等破坏对应于高规的中度损坏;不严重破坏对应于高规的比较严重损坏;但抗规的轻-中等破坏在高规中无确定的与其对应的状态, 在性能4设防地震下对应高规的中度损坏, 而在性能2罕遇地震下对应高规的轻度损坏。类似地, 结合表1可以发现, 抗规的“完好”与高规的水准1对应;“基本完好”与水准2对应;“轻微损坏”与水准3对应;“中等破坏”与水准4对应;“接近严重破坏”与水准5对应;特别地, “轻-中等破坏”在性能要求2罕遇地震下与水准3对应, 而在性能要求4设防地震下与水准4对应。可见“轻-中等破坏”介于“轻微损坏” (水准3) 与“中等破坏” (水准4) 之间, 对罕遇地震, “轻-中等破坏”取更高的水准3标准, 对设防地震可以取较低标准。具体见表3。

　　 比较抗规第3.10.3条文说明与上海抗规表L.1.1对结构构件破坏程度的描述可以发现:上海抗规的“完全可使用”与抗规的“完好”基本一致;上海抗规的“基本可使用”与抗规的“轻微破坏”基本一致;“修复后使用”与抗规的“中等破坏”一致;“生命安全”与抗规的“严重破坏”大致一致或略高。

　　 综上, 抗规、高规及上海抗规中破坏等级与性能水准的大致对照关系如表4所示。

　　 此外, 高规将结构构件分为关键构件、普通竖向构件和耗能构件, 并较为明确地给出了定义、示例及具体的规定。而抗规对构件的划分和规定相对比较笼统, 仅指出性能目标的选取应针对结构的关键部件、重要构件、次要构件以及建筑构件等, 或仅指出应区分不同部位的构件, 以及同一部位应区分竖向构件和水平构件。但并没有针对这些分类给出明确的定义或具体的规定。

　　 性能目标的确定是抗震性能设计的重点之一。比较抗规和高规对性能要求或性能目标的规定可以发现, 抗规利用承载力及变形能力指标来规定性能要求, 高规则根据结构或构件的不同性能水准来实现性能目标。

　　 高规与抗规都规定了四级抗震性能要求或性能目标, 表5给出了两本规范中各性能目标或性能要求在不同地震水准下的规定。由表5可见, 高规的四级性能目标与抗规中的四级要求基本一致, 但高规的规定更为具体和细化, 更有针对性。

　　 此外, 由表1及表4可知, 上海规范的性能目标Ⅰ介于高规的性能目标A和B之间, 性能目标Ⅱ与高规的性能目标C相当, 性能目标Ⅲ与高规的性能目标D大致相当。

　　 结构为实现不同的性能目标, 需要在结构构件承载力、层间位移以及构造的抗震等级等3个方面进行考虑。由抗规表M.1.1-1及M.1.2可以看出, 与高规第3.11.3条相比, 抗规性能要求的承载力指标更偏重于对整体承载能力进行控制。

　　 性能目标具体是通过抗震性能水准与地震地面运动水准的组合来定义的。由表1可知, 上海抗规对性能目标与性能水准之间对应关系的规定与高规是一致的, 但对1~4这四个性能水准下具体的承载力要求与高规略有不同, 具体对比见表6。由表6可知, 上海抗规性能水准1与高规性能水准1一致;性能水准2对关键构件的要求与高规性能水准2一致, 但对普通竖向构件与耗能构件的规定与高规性能水准3基本相同;性能水准3与高规性能水准4基本一致;性能水准4与高规性能水准5基本一致。这与前面的结论也是基本吻合的。

　　 结构为实现不同的性能目标, 除了构件承载力需要达到相应的要求外, 构造措施也必须得到保障, 以满足延性方面的要求, 为此, 各个规范针对不同的性能目标也制定了对构造抗震等级的规定。结构构件细部构造对应于不同性能要求的抗震等级, 可按表7中抗规的示例选用;结构中同一部位的不同构件, 可区分竖向构件和水平构件, 按各自最低的性能要求所对应的抗震构造等级选用。

　　 表7中, 性能设计中的“基本抗震构造”大致相当于混凝土结构中四级抗震等级的构造要求。低、中、高和特种延性要求, 大致相当于混凝土结构中三、二、一与特一级抗震等级的构造要求。表7同时给出了上海抗规在三个性能目标下的构造要求。由表7可见, 上海抗规性能目标Ⅰ对构造的要求介于抗规性能目标1和2之间;性能目标Ⅱ对构造的要求与抗规性能目标3相当;性能目标Ⅲ对构造的要求与抗规性能目标4相当, 这与前面的结论吻合。

　　 此外, 广东高规也规定, 各大震性能水准所对应的抗震等级所要求的构造措施, 第5水准不宜低于一级, 第4水准不宜低于二级, 第3水准不宜低于三级, 第2水准不应低于四级。这与抗规按照性能目标来区分有所不同。

　　 数值模拟和试验研究表明, 结构的层间位移角能够反映结构各构件变形的综合结果以及层高的影响, 并与结构破坏程度有较大的相关性, 因此可以采用该指标来量化结构的性能水平。表8为根据抗规和高规的相关规定给出的结构竖向构件对应于不同破坏状态的最大层间位移角参考控制目标, 具体使用时可按设定的性能目标和性能水准所对应的破坏状态来选取。

　　 比较抗规附录M条文说明表9与高规3.11.3条及上海抗规表L.1.5对最大层间位移角的要求可见:上海抗规的“完全可使用”与高规的“弹性限值”或“完好”基本一致;上海抗规的“基本可使用”与高规的“轻微破坏”基本一致;上海抗规的“修复后使用”与高规的“中等破坏”一致;上海抗规的“生命安全”与高规的“弹塑性限值”一致, 比“不严重破坏”的要求略低。这也与表4的结论基本吻合。

　　 广东高规表3.11.3给出了结构不同性能目标下的层间弹塑性位移角限值。对比广东高规表3.11.3与抗规附录M条文说明表9以及高规第3.11.3条可以发现, 广东高规关于位移角限值的要求比抗规要宽松, 但大震验算时, 除性能目标D外, 广东高规弹塑性位移角限值比高规严格。

　　 抗规和高规中规定, 抗震性能设计中, 应根据不同性能目标和地震作用水准采用不同的数值分析方法, 对于弹性分析可以采用线性方法, 弹塑性分析可根据性能目标所预期的结构弹塑性状态分别采用增加阻尼的等效线性化方法以及静力或动力非线性分析方法。如抗规规定:地震层间剪力和地震作用效应调整, 应根据整个结构不同部位进入弹塑性阶段程度的不同, 采用不同的方法。构件总体上处于开裂阶段或刚刚进入屈服阶段, 可取等效刚度和等效阻尼, 按等效线性方法分析;构件总体上处于承载力屈服至极限阶段, 宜采用静力或动力弹塑性分析方法估算;构件总体上处于承载力下降阶段, 应采用计入下降段参数的动力弹塑性分析方法估算。

　　 广东高规取消了高规中对第3, 4, 5性能水准的结构“应进行弹塑性计算分析”的提法, 给出了按照线弹性有限元分析方法进行5个水准性能设计的公式。用构件承载力利用系数ξ的大小表征各性能水准结构构件不同类型的承载力利用程度及损伤程度, 便于设计人员直观地把握结构构件的安全度。第1, 2性能水准采用弹性分析对结构构件进行中、大震作用下的承载力验算;第3, 4性能水准的结构采用弹性分析对构件进行中震作用下的承载力校核, 考虑到结构部分构件实际已进入塑性阶段, 计算时阻尼比可适当增加;第3, 4, 5性能水准的结构宜以大震作用下控制竖向构件的受剪截面不发生破坏, 并同时保证整体结构的弹塑性层间位移角满足规范第3.11.3条相关限值要求。从条文可以看出, 广东高规明确了可按线弹性有限元计算出的内力位移进行性能设计的公式, 这些规定便于软件实现, 使软件可以直接利用线弹性有限元结果进行性能设计。

　　 对比现行国家和地方主要结构规范中的性能设计相关内容可以发现, 各规范的内容均在不同程度上存在着差异。大体而言, 抗规的规定更偏于概念性和指导性, 偏重于把握抗震性能设计的总体目标原则。高规、抗规、广东高规则把各个性能目标细化分解成不同的性能水准, 并具体到不同构件, 因而更具可操作性。具体结论如下:

　　 (1) 高规和抗规性能目标的要求基本一致, 但高规的规定更详细具体, 更具操作性。

　　 (2) 抗规中的“完好”与高规中的水准1对应;“基本完好”与水准2对应;“轻微损坏”与水准3对应;“中等破坏”与水准4对应;“接近严重破坏”与水准5对应;特别地, “轻-中等破坏”介于“轻微损坏” (水准3) 与“中等破坏” (水准4) 之间, 对于罕遇地震, “轻-中等破坏”取更高的水准3标准, 对设防地震可以取较低的标准。

　　 (3) 广东高规的性能目标及性能水准的规定与高规相同, 但大震验算时, 除性能目标D外, 广东高规弹塑性位移角限值比高规严格, 并且这两部规范关于位移角限值的要求都要比抗规宽松。

　　 (4) 上海抗规对性能目标与性能水准之间对应关系的规定与高规是一致的, 但对1~4这四个性能水准的具体要求与高规略有不同。上海抗规的性能目标Ⅰ介于高规的性能目标A和B之间, 性能目标Ⅱ与高规的性能目标C相当, 性能目标Ⅲ与高规的性能目标D大致相当。

　　 (5) 与高规和抗规中性能水准1~2采用弹性设计方法、水准3~5采用弹塑性方法不同, 广东高规明确给出了性能水准1~5均可按线弹性有限元计算出的内力位移进行性能设计的公式。