在水泥基复合材料中掺入适量钢纤维能够有效抑制结构中裂缝的形成和发展,并显著提高材料的抗拉性能及韧性。传统钢纤维增强水泥基复合材料（SFRC）中,钢纤维呈三维乱向随机分布,部分纤维无法充分发挥其增强增韧作用,从而造成材料的浪费。将纤维按结构受力方向进行定向,并在结构薄弱区域增加纤维的分布密度能够使纤维得到充分利用,从而使结构的承载能力得到有效提升。目前,大多数研究集中在分析钢纤维分布对材料性能的影响上,而对钢纤维增强水泥基复合材料的损伤破坏过程及纤维增强机理少有涉及。因此,本文将钢纤维增强水泥基复合材料视为由钢纤维与水泥砂浆基体组成的二相复合材料,建立钢纤维增强水泥基复合材料宏细观模型,对钢纤维的增强机理及合理分布形式进行了研究。具体研究内容如下:（1）基于对材料物理属性的统计特征,分别对随机乱向及单向定向（ASFRC）钢纤维增强水泥基复合材料的代表体积单元尺寸进行了定量研究,建立了不同尺寸的钢纤维增强水泥基复合材料立方体细观模型,通过对比不同尺寸模型计算所得弹性模量、抗拉强度及抗压强度确定了钢纤维增强水泥基复合材料在单轴拉伸及单轴压缩荷载下的代表体积单元尺寸。之后根据所确定的单元尺寸,建立大尺寸钢纤维增强水泥基复合材料三点弯曲梁宏细观模型,并对其破坏过程进行了分析。结果表明:不同纤维分布方向的钢纤维增强水泥基复合材料代表体积单元尺寸略有差异;单向定向钢纤维增强水泥基复合材料代表体积单元尺寸约为纤维长度的2.5倍,随机乱向钢纤维增强水泥基复合材料代表体积单元尺寸约为纤维长度的3倍。纤维掺量的改变对代表体积单元尺寸无明显影响。所建立的大尺寸钢纤维增强水泥基复合材料三点弯曲梁宏细观模型能够在较好反应材料宏观性能的同时对重点区域的纤维受力进行分析。（2）提出了适用于环向定向钢纤维增强水泥基（AASFRC）管的纤维投放算法,并生成钢纤维增强水泥基管细观模型,基于扩展有限元法模拟了不同纤维掺量的环向定向钢纤维增强水泥基管在内压荷载作用下的断裂全过程,在验证模型有效性的基础上从细观角度对环向定向钢纤维的增强机理进行了深入分析。研究结果表明:相同荷载下,AASFRC试件钢纤维所受合力大于SFRC试件,有效分担了水泥砂浆基体所承受的荷载,延缓了裂缝的产生和扩展。在达到各自相应的极限内压荷载时,AASFRC试件主开裂截面处钢纤维所承受的合力相比SFRC试件显著提升,桥接裂缝两侧的钢纤维得到充分利用。（3）针对全场定向钢纤维增强水泥基（FASFRC）圆孔板试件,提出了纤维合理分布设计方法。制备了同一纤维掺量下的全场定向、单向定向及随机乱向钢纤维增强水泥基复合材料圆孔板试件并进行单轴拉伸试验,采用数字图像相关技术对比分析了不同纤维分布形式下试件的破坏过程。建立了相应的钢纤维增强水泥基圆孔板细观模型并模拟了其在单轴拉伸荷载作用下的破坏过程。对比了不同纤维分布密度圆孔板模型的拉伸性能,并确定了圆孔板试件的纤维最优分布。研究结果表明:圆孔会对试件中部80 mm宽度区域内的应力分布情况造成影响,当该区域所分布的纤维占纤维总数35%–45%时,即该区域纤维分布密度为纤维均匀分布的1.75–2.25倍时,圆孔板的抗拉强度达到最大值,此时其抗拉强度较相同纤维掺量下的ASFRC试件提高了19.9%,较SFRC试件提高了48.8%,且拉伸应力–应变曲线下降段显著提高,材料韧性增强。