混凝土是目前最大宗的建筑材料,广泛应用于各种工业与民用建筑中,如超高层建筑、跨海大桥和核电站等。由于材料的各相成分在微细观尺度上的随机分布,混凝土材料具有非均匀性,宏观层面表现出非线性的力学行为。基于多尺度分析的观点,混凝土的宏观力学性能,可以从细观尺度上的结构特征得到解释和验证。为了对混凝土结构更好地展开结构分析和设计评估,本文对混凝土的细观力学特性进行系统的研究,利用细观有限元的模拟手段,探讨混凝土各相材料成分在细观结构中的分布与宏观力学响应之间的联系,揭示破坏失效的机理,最终建立混凝土细观结构-宏观性能的对应关系。首先,本文基于蒙特卡洛方法来生成混凝土的随机骨料的结构,将细观结构的随机性转化为数学上的随机变量,并使其遵从均匀分布,建立合理简化的混凝土细观结构。基于理想的富勒级配曲线和瓦拉文公式,求出每一级粒径骨料的颗粒数目,通过MATLAB的编程语言自动生成随机骨料的特征参数,并利用ABAQUS建立细观有限元模型,对其进行数值求解,将数值结果与试验结果对比表明数值模拟的有效性。第二,本文基于混凝土的细观有限元模型,模拟了2-D模型在单轴静态拉伸和压缩载荷下的宏观力学响应,通过参数分析,研究混凝土的多相特征,如粗骨料的形状、随机分布、体积分数、界面力学性能以及孔隙,对宏观应力-应变关系和破坏模式的影响,对混凝土的破坏机理展开了研究,在一定意义上得到混凝土宏观力学行为和细观结构的联系。对混凝土进行3-D建模并展开分析,发现3-D模型因平面外的约束效果使得抗压强度高于2-D模型,而抗拉强度因拉伸破坏的局部化特征与2-D模型比较接近。最后,本文模拟了2-D模型在动态压缩载荷下的宏观力学响应,数值结果表明混凝土呈现出明显的应变率效应,抗压强度随应变率的增加而提高,破坏模式亦随之发生变化。通过参数分析,研究混凝土的多相特征,如砂浆相和界面相的率敏感性、粗骨料的形状和含量、界面力学性能,对于混凝土在不同应变率下的动态力学响应的影响。结果表明,细观结构的非均匀性对于混凝土的动态力学行为具有显著影响,砂浆相率敏感性对试件强度的提高起主导作用,抗压强度随粗骨料含量和界面力学性能的增加而提高。混凝土3-D模型因为平面外的约束机制,使得模拟得出的动态强度增长因子(DIF)始终高于2-D数值结果。