PVA纤维增强水泥基复合材料(PVA-ECC)是一种韧性极高的水泥基材料,在弯拉荷载作用下具有明显的应变硬化性能,其极限拉伸强度可超过5MPa,极限拉应变可以达到5%。但PVA纤维的弹性模量较低,当基体强度过高时,纤维在基体中呈断裂破坏的模式,不能充分发挥纤维的桥接作用,材料的强度会受到限制。研究发现,在PVA-ECC中掺入一定量的钢纤维,可以同时具有高韧性、高强度的性能。目前,钢-PVA混杂纤维增强水泥基复合材料的研究主要集中在试验研究领域,有限元仿真较少,而实际试验耗时耗力,成本较高。因此,本文旨在数值模拟的角度提出一种新的钢-PVA混杂纤维增强水泥基复合材料的建模方法,利用有限元模型研究单轴压缩、四点弯曲以及落锤冲击试验下的力学性能。本文主要研究内容和结果如下:(1)利用蒙特卡罗方法建立了混杂纤维的随机投放,运用MATLAB编写了三维线性纤维在空间中随机分布投放的算法,利用ABAQUS有限元软件,将MATLAB程序得到的三维线性混杂纤维投放入模型中,其中混杂纤维采用三维两节点桁架单元(T3D2),按照不同的角度和是否断裂分类建模,本构关系采用基于角度、埋置深度、断裂模式、摩擦滑轮效应以及基体剥落效应影响下的单根纤维拉拔荷载-位移曲线得出的纤维-基体联合本构模型;砂浆基体采用八节点六面体线性减缩单元(C3D8R),本构关系采用塑性损伤模型。使用Embed命令,将混杂纤维与基体组合,建立混杂纤维ECC的有限元模型;(2)利用建立的混杂纤维ECC有限元模型,模拟材料单轴压缩和四点弯曲试验中的静态力学性能,通过与课题组前期的试验结果比较,验证了模型的有效性,并研究了混杂纤维体积掺量、混杂比例和基体的开裂强度等参数对材料力学性能的影响。研究发现,在单轴压缩模拟中,掺入钢纤维和PVA纤维改善了ECC的抗压韧性。随着钢纤维比例的提高,ECC的抗压强度和峰值应变均呈现增加的趋势,PVA纤维掺量的增加,提高了ECC的压缩韧性指数;在四点弯曲模拟中,随着PVA纤维掺量的增加,ECC的弯曲韧性指数随之增大,而钢纤维提高了开裂荷载和抗弯强度,当二者达到一定比例时,ECC同时具有高强高韧的性能;适当地降低基体的开裂强度,有助于提高混杂纤维ECC的韧性,实现应变硬化性能;(3)利用建立的混杂纤维ECC有限元模型,模拟材料落锤冲击试验下的动态抗弯性能,通过与课题组前期的试验结果对比,验证了模型的有效性,并研究了混杂纤维体积掺量、混杂比例、基体的开裂强度以及应变率等参数对材料动态抗弯性能的影响。研究发现,随着掺入的钢纤维增加,试件的强度相应增加,但同时会降低材料的韧性,使能量吸收略有下降;选择合适的基体开裂强度,能更好地发挥材料多缝开裂的优势,在冲击下具有更好的吸能性能;随着应变率的提高,混杂纤维ECC在冲击作用下的峰值力和能量相应地增加,动态抗弯强度提高,呈现出明显的应变率效应。