主要解决工程结构承受的各种作用效应与结构抗力之间的关系，涉及有关结构上的作用与作用效应、环境影响、结构抗力（包括材料性能与结构几何参数）、结构可靠度理论和相关结构设计方法及优化设计等方面的问题。

人类为谋生存，自穴居筑巢以至筑路、筑坝、架桥等营造活动以来，凭借直接的实践经验，利用各种天然材料构筑了无数工程结构物。通过千百年的工程实践，积累经验，编成工作口诀与行规，在工匠和行会中流传沿用，经过漫长的重复实践历程，才逐步认识和总结出一些工程结构建造的规律，并编写了同技术条例一样的一些成文和著作。中国宋代的《营造法式》就是一部从工程经验中总结出来的中国古代木结构规范，具有一定的设计理论萌芽，其部分内容一直沿用。

人们公认现代结构设计理论的奠基人是意大利学者伽利略，他的《关于两门新科学的对话》一书被公认为是材料力学的开端。从此，结构设计开始由定性的描述转移到定量的分析，理论分析与实验研究也开始被自觉地应用到结构设计中。

工程结构设计理论的发展经历了种种演变，最早是直接通过试验确定结构承载能力进行结构设计。19世纪以后，由于较理想的弹性材料（钢材）的广泛应用和结构弹性力学分析方法的发展，以线性弹性理论为基础，以结构构件危险截面计算应力小于或等于材料的容许应力为准则，提出了容许应力设计法，到20世纪30年代，钢筋混凝土结构开始在工程中应用，其特有的构件受力性能必须考虑混凝土与钢筋的弹塑性性质，合理利用了材料的塑性潜力，形成了破坏强度设计法。同时，人们注意到结构构件的承载能力不仅与结构材料的破坏强度有关，还与结构构件的受力特点和材料的塑性性能有关，从而提出了结构极限状态的设计思想，即要求结构在各种作用下的效应不超过结构极限承载力。为保证结构设计安全，无论是容许应力设计法、破坏强度设计法还是极限状态设计法，都引入了安全系数，可视作将结构所受的作用或作用系数放大。然而这样处理，人们并不能确知结构设计的实际可靠度。

从20世纪50年代初期起，欧美等国随着对荷载、材料性能和结构抗力的研究不断深入，提出了对荷载值与材料强度值分别考虑以概率取值，结构极限状态设计理论和多系数极限状态设计方法渐渐得到发展和应用。20世纪70年代初，中国结构设计理论也有所发展，对钢筋混凝土结构设计，采用极限状态设计方法，在综合考虑荷载、材料和结构等因素，采用综合安全系数的计算方法；对钢结构当时仍采用单一安全系数的容许应力设计法。

从20世纪70年代起，国际上加强了结构可靠度研究，考虑作用效应与结构抗力联合概率分布为特点的、以概率理论为基础的极限状态设计法逐步得到发展，并陆续进入实用阶段。从20世纪70年代末起，中国系统地进行了建筑结构设计方法和结构可靠度分析的研究，并于1984年颁布了中国第一本结构可靠度标准《建筑结构设计统一标准》（GBJ 68—84），并依据该标准在相应的结构设计规范与标准中采用了以概率理论为基础的极限状态设计法。

世界各国，如美国、中国、欧洲一些国家等多采用多种作用分项系数进行效应组合的实用设计表达形式，要求各种作用组合效应不超过结构极限承载力，这种方法具有相对明确的结构设计可靠度。

结构分析技术在土木工程设计中起着至关重要的作用，主要解决结构在荷载作用（包括间接作用）下的结构内力、位移与稳定性。20世纪60年代前的结构分析主要依靠经典分析方法，如对板壳结构采用弹性力学进行连续化求解或差分法离散求解；对杆系结构采用结构力学方法求解；也采用变分法与能量法进行结构分析或采用结构模型试验测试分析方法。自20世纪60年代国际上提出有限单元法后，随着计算机硬件设备的快速发展与结构有限元分析软件的完善，现在大量的结构计算主要依靠有限元分析，包括静力分析、动力分析（动力时程分析）与稳定性分析，分析中可以考虑非线性（几何非线性与材料非线性）。对于复杂结构、新型结构体系采用以有限元分析为基础的结构模型试验测试分析技术，如结构与构件节点模型（足尺或缩尺模型）试验、风洞模型试验、振动台模型试验、拟动力试验、超重力离心模拟与试验等。

结构优化设计也是工程结构设计理论与方法的一个重要方面。20世纪60年代，随着电子计算机得到较广泛应用，结构优化设计才迅速发展起来。中国从20世纪70年代开始研究结构优化设计，并在结构设计实践中得到一些应用。结构优化包括数学规划法和力学准则法，理论研究中也采用遗传算法（GA）与神经网络算法。

基于性能设计方法的基本理念是采用针对性的设计方法，使被设计的结构与构筑物在设计使用年限内满足各种预定的结构性能目标和正常使用功能。抗震性能化设计思想是20世纪90年代初由美国学者提出的，中国在建筑抗震领域的研究始于21世纪初，并在《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）中引入了基于性能的建筑抗震设计方法。基于性能设计方法也可应用于超高层建筑、大跨度结构的结构振动控制与舒适性设计，也应用于大型公共建筑的防火性能化设计。

随着工程结构设计技术的进一步提高、电子计算机硬件与分析软件技术的快速进步、现代结构测试技术的广泛应用，工程结构设计理论亦随之发展。具体有以下几个方面：①概率分析法。对施加于结构上的可变作用力（如风、地震、波浪等）很多是与时间有关的随机过程，并按随机过程模型对多个作用采用适当的组合规则进行作用组合；而材料结构抗力包括结构拓扑关系、约束条件、构件几何尺寸、材料强度性能等诸因素中也大都是某种随机变量。概率分析法是从统计数学观点出发，对不确定性因素通过概率分析以对结构的可靠性进行定量描述，以保证得更高的结构可靠度。②动态力分析。相对静力分析，更关注结构在动力作用（地震作用、风荷载、爆炸作用等）下的结构动力反应与效应，如结构的地震时程分析、风振分析等。进行地震时程分析时，一般应考虑材料的非线性与几何非线性。③结构抗连续倒塌设计。在工程结构极限状态设计的基础上，考虑在全寿命期可能遭遇的偶然作用而进行的结构抗连续倒塌设计（验算），即当偶然作用发生，结构遭遇局部破坏时，结构能够通过新的荷载路径进行内力重分布，阻止结构连续破坏的蔓延，以保证结构在一个适当的安全可靠度之下具有抵抗连续倒塌的能力，尽可能降低结构的破坏程度和人员伤亡。④计算机非线性模拟试验分析。为深入研究工程结构某一构件或节点在复杂受力条件下的性能，按不同参数进行建模，考虑材料非线性和几何非线性，应用高性能有限元分析软件，进行模拟试验分析，归纳得出的有关结论，并用少量的模型试验进行验证。⑤性能化设计（见基于性能的设计方法）。⑥最优化设计（见工程结构优化设计）。