工程结构典型安全事故案例及其服役过程中的潜在安全隐患引起人们对结构安全及其失效规律和机理等基础性理论研究的关注。工程结构的设计功能在结构整体建成并使用之后即不再改变，然而在几十年甚至上百年的服役期内，结构物理特性与运营荷载不断变化并相互作用、相互影响，可能导致结构损伤演化并诱致失效。结构损伤的演化跨越了材料、构件和结构多个空间尺度和层次，对应于每个层次的损伤演化特征也存在着较大差异。为了掌握结构的失效机理与控制其失效行为，进而阐明结构服役期的典型历程中结构损伤变量的演化机制、主要规律及其对结构服役期间工作状态、承载状况、失效行为和路径影响，有必要探讨材料、构件与结构不同层次、不同尺度上损伤的合理表征方法，使之能够恰到好处地抓住其所属层次或尺度上的损伤特征，并真实反映各结构层次损伤表征量之间的关联性。　　本文从典型焊接紧凑拉伸构件和两种桁架结构的跨尺度、跨层次损伤模拟实验与特征响应的同步测试工作出发，在分析总结其失效行为和规律的基础上，根据钢架结构损伤演化过程结构力学特性与外荷载相互作用的本质特征拓展了“承载能力”的内涵和外延，提出了以承载能力特征定义构件和结构损伤变量，以材料体元和构件体元及其对应损伤值量化构件和结构损伤的方法，并结合典型节点、钢框架结构损伤的数值模拟分析给出了该方法的具体应用案例。完成的研究工作和主要成果如下:　　1)针对焊接紧凑拉伸构件和焊接钢桁架型钢构件，分别开展了构件塑性损伤和疲劳损伤的实验模拟和测试工作。其中焊接紧凑拉伸构件采用准静态加卸载的方式实现损伤演化过程，并综合运用X-CT（微焦X光计算机断层扫描）系统和应变电测技术观测焊接易损局部细观缺陷形貌、分布和演化过程，以及对应的宏观应力-应变响应。通过对钢桁架施加正弦疲劳荷载实现构件损伤演化过程，并综合运用了应变电测、光测和动态测试技术观测构件易损局部细观疲劳裂纹萌生、宏观裂纹扩展过程以及整体动态响应信息的演变过程。结果显示:焊接紧凑拉伸构件细观缺陷的几何与分布特征影响了构件的塑性损伤演化过程和特征响应;采用损伤力学理论量化的构件宏观损伤受细观缺陷的影响，但无法准确描述细观缺陷演化导致的焊接构件的演化过程。焊接钢桁架典型构件的疲劳损伤演化过程由材料细观损伤、外荷载条件以及构件与结构整体的相互作用等因素共同决定;斜腹杆损伤跨尺度、跨层次演化过程中，损伤是连续演化的，尺度和层次跨越点前后的特征响应存在较大差别，可作为构件损伤跨尺度、跨层次演化的“标志性”特征;　　2)针对铰接钢桁架和焊接钢桁架，分别开展了结构塑性损伤和疲劳损伤的实验模拟和测试工作。采用多种测试技术和手段同步监测了两种结构损伤演化过程中多个尺度和结构层次下的失效行为、力学特性和特征响应。结果表明:对于铰接钢桁架，桁架结构典型构件先后进入塑性流动影响了结构整体的承载能力，易损局部细观缺陷差异直接导致桁架内部典型构件损伤演化进程的不同，细观缺陷的差异经过构件和结构整体承力体系的系统化和非线性作用，在一定程度上决定了整个桁架结构的失效模式和规律;对于焊接钢桁架结构，桁架典型构件疲劳裂纹的萌生过程由易损局部热点应力决定，但是疲劳裂纹的扩展规律和过程受易损局部细观焊接缺陷的影响较大，并直接决定了裂纹扩展和最终的失效;　　3)根据上述损伤实验现象与规律特征，本文以结构本身力学属性与外界荷载相互作用与关系特征明确了结构损伤易损局部的概念，并通过材料体元和构件体元建立了构件和结构损伤分析的基础，提出了以承载能力特征表征构件和结构损伤，并以材料体元和构件体元及其对应损伤值量化构件和结构损伤的方法。针对典型构件和结构具体推导了损伤的量化公式，并以动力系数修正了动荷载作用下动力效应对于结构损伤量化公式的影响;　　4)结合焊接紧凑拉伸构件和两种桁架结构损伤实验模拟过程和结果，具体量化了构件和结构损伤及其演化过程。并结合框架结构塑性损伤的数值模拟分析，具体说明了本文提出的损伤表征和量化方法在结构全寿命设计和评估中的应用。结果表明，本文提出的构件和结构损伤表征与量化方法较明确的反映了构件和结构的失效行为及其控制因素，在一定程度上真实的反映和预测结构的实际承载状态。