大多数大体积混凝土结构在使用寿命期内就产生裂缝,目前尚未建立完整的理论体系和成熟的技术方法,因此探索其开裂机理,能为实际工程提供安全保障,具有重大的科研价值和现实意义。混凝土是一种由粗骨料、水泥砂浆、孔隙组成的多相复合人工材料。已有研究表明混凝土材料的宏观力学性能与其微细观结构、养护条件及赋存环境密不可分。随着数值算法和计算机技术的飞速发展,数值分析方法逐渐成为认识和分析混凝土细观力学性能与宏观力学性能演化关系的重要手段。本文针对混凝土开裂问题进行了深入的探讨,围绕混凝土复杂形状粗骨料细观模型的生成算法、细观力学数值分析方法开展研究,并将论文建立的方法应用于分析混凝土的早龄期自约束应力和单轴加载下内部损伤的演化过程。论文的主要研究内容和成果如下:（1）基于隐式T样条基本理论系统地提出了3D复杂形状粗骨料的生成算法及粗骨料投放改进方案,并在MATLAB平台上编制相应的计算机程序COCAG（Code Of Coarse Aggregate Generation）。提出以阈值作为细分T网格的标准,较好地解决了控制点数量、曲面约束效果与计算效率的矛盾,在不增加控制点情况下,提出采用开放节点向量解决了重构曲面封闭性问题,针对重构原曲面的隐式T样条函数形式的唯一性问题,提出了偏移点（隐式函数f的值不等于零）数量和位置的确定方法,从而实现了基于离散点集的复杂形状曲面重构;将正弦函数作为母线来反映卵石的平整性和粒径范围,并用切面数量来反映碎石的破损程度,提出了粗骨料表面点集的生成方法;综合复杂形状粗骨料的生成算法、被占剔除法和分层摆放法,提出改进的粗骨料投放方法,实现了在给定粗骨料含量和级配下复杂形状粗骨料的投放。（2）基于弹粘塑性势理论和混凝土的温度变形、徐变、自生体积变形及损伤分析模型,将弥漫网格法基本原理和复杂形状粗骨料重构算法有机融合,发展了弥漫网格法,并研制了计算机分析程序COCE3D-DM（Code Of Concrete Engineering–Diffuse Method）。通过简单算例验证了程序算法的可靠性和适应性,并结合相关文献研究成果,进行了弥漫网格法的网格尺度对计算精度的敏感性分析,提出了网格尺寸为最小粗骨料的1/3的建议。该程序可用于分析混凝土早龄期自约束应力的弹粘性问题和受力变形过程的塑性损伤问题,为分析混凝土细观力学行为发展了一条新的途径。（3）应用自行开发的COCAG程序、COCE3D-DM程序对混凝土早龄期自约束应力的产生机理进行了深入分析,重点研究了粗骨料形状、定向对自约束应力的影响,进一步认识了混凝土的力学性能。首先,应用COCAG程序生成了5个不同粗骨料形状和定向,但具有相同的粗骨料含量和空间分布的混凝土细观模型。其次,进行了跨尺度（宏观和细观）的数值模拟,对随机粗骨料模型采用弥漫网格法,对简化为均质混凝土模型采用有限单元法,分别进行绝热温升、徐变应变和自生体积变形等单因素分析,进一步验证弥漫网格法应用于热力学细观数值模拟的可行性,同时建立了混凝土细观模型和均质混凝土模型之间的参数等效方法。然后,在温度、徐变和自生体积变形综合作用下进行数值模拟,结果表明:在水化过程初期,温度作用是产生自约束应力产生的主要原因,当温度逐渐稳定后,自生体积变形作用则占主导作用,养护完成后在水泥砂浆内仍存在不可忽视的残余主拉应力,并且在粗骨料/水泥砂浆区域上易出现应力集中。最后,通过比较模型一～模型五的计算结果,研究了粗骨料形状、定向对混凝土早龄期自约束应力的影响,结果表明:粗骨料形状对整体应力和局部应力有较明显的影响,尤其表现在温升阶段;粗骨料定向对整体力学行为没有明显的影响,但粗骨料定向的变化改变粗骨料净距或稀疏度,对早龄期自约束应力的局部空间分布状态有较明显的影响。（4）通过宏观物理试验和细观数值分析（COCE3D-DM）相结合的方法研究了混凝土试块在单轴加载试验过程中的宏细观力学行为,进一步认识了混凝土材料受荷变形、细观损伤演化至破坏的过程,同时研究了粗骨料形状、定向以及自约束应力对损伤破坏的影响。首先,针对5个试件,综合应用MTS万能试验机和非接触变形测量技术进行单轴压缩试验,分析了混凝土试块受荷变形过程中位移场和应变场的变化规律,得到了混凝土在单轴作用下的宏观应力应变曲线,并与一般规律一致。其次,应用COCE3D-DM程序对混凝土试块单轴加载试验的损伤演化规律进行深入研究,揭示了混凝土在压缩过程和拉伸过程下的力学规律及损伤的演化过程,并采用体积平均法预测混凝土的等效变形模量。分析数值试验结果、物理试验结果和文献研究成果,三者走势大致相同。针对单轴压缩试验,分析研究了粗骨料形状、定向对混凝土试块的等效变形模量、抗压强度、内部损伤状态及损伤变量的影响,结果表明:粗骨料形状主要影响非线性阶段和应变软化阶段,碎石粗骨料模型相比球形粗骨料模型具有更高的等效变形模量、承载力和延性;粗骨料定向对宏观强度及等效变形模量的影响都很小,但对混凝土内部微裂纹的萌生部位、扩展路径存在较明显的影响。最后,将早龄期自约束应力作为初始应力,研究了早龄期自约束应力场对混凝土力学特性的影响,结果表明:自约束应力在弹性阶段影响非常小,可以忽略不计;但对峰值强度和应变软化阶段均有较明显的影响,考虑自约束应力后抗压强度和抗拉强度分别降低2.45%和3.35%。综上所述,论文围绕混凝土细观力学数值分析方法开展研究,建立了复杂形状粗骨料混凝土细观模型算法并研制了计算程序COCAG,结合粗骨料算法发展了弥漫网格法并研制了计算程序COCE3D-DM,为分析混凝土细观力学问题探索了一条有效的途径;应用COCAG、COCE3D-DM程序对混凝土早龄期自约束应力、加载变形下损伤过程进行细观数值分析,进一步认识了混凝土的力学性能。