纤维增强水泥基材料是一种高强度、高韧性的短纤维随机分布的复合材料,是工程建设中应用非常广泛的高性能建筑材料。为满足工程需要,需实现各相材料的最优化设计,包括合理选取纤维掺量、纤维长细比、界面与基体强度比值等关键参数。此过程需要深入理解纤维在水泥基体中的增强、增韧机理,因此在细微观尺度下开展该复合材料的模拟与研究十分必要。常采用单根纤维的拉拔试验来探究纤维与基体间的界面性能。本文首先归纳总结常见的水平单根纤维拉拔试验的理论模型,讨论了倾斜纤维与异型纤维在拉拔过程中区别于水平直纤维的力学特征,总结了单根纤维拉拔常用的数值模型,并比较了这些模型中“界面”与“基体逐步损伤”两个关键步骤的处理方法。除此之外,介绍了模拟含有多根纤维试件力学行为的数值模型,包括间接表征纤维作用的方法和直接模拟纤维的模型,并探讨了这些模拟方法的优缺点。在此基础上,本文提出了一个可模拟平直钢纤维增强的混凝土复杂断裂过程的细观有限元模型,本模型现阶段主要适用于刚度较高的钢纤维增强的高密实度SFRC材料。模型采用连续损伤塑性模型模拟水泥基体的损伤断裂,利用Python脚本生成与随机分布的短纤维一致的有限元基体网格,再通过自编MATLAB程序插设平面内零厚度的粘结界面单元,将水泥基体平面单元和纤维梁单元相连。采用该模型模拟不同倾角下的单根纤维拉拔过程,获得与试验吻合较好的拉拔力-位移曲线。进而开展单根纤维拉拔试验的参数分析工作,利用两类拉拔模型(受力状态分别接近于裂缝开裂前、后的工况)分析了关键细观材料参数与结构参数对纤维桥联作用的影响,探讨了拉拔过程中裂缝形成与发展的细观机理。其次,模拟了含有多根纤维随机分布试件的复杂力学性能,包括三种工况:SFRC带缺口试件的直接拉伸、UHPFRC带缺口试件的三点弯与UHPFRC无缺口试件的直接拉伸试验。模拟结果的数据曲线与断裂模式图表明所提出的离散-连续耦合细观有限元模型能够有效地模拟多纤维试件中复杂的断裂破坏机制,包括纤维弯曲变形、屈服、拉断,界面的粘结、滑移与脱粘,以及基体的损伤、开裂至剥落等现象。采用此模型进行了多纤维试件的直接拉伸试验的参数分析,结果表明各参数对试件性能的影响并非独立,而是相互耦合,分析时需综合考虑。最后,本文提出了一个可以显式地、单独考虑不同界面力的模型,界面力包括界面粘结力以及摩擦力,摩擦力分为库伦摩擦力和由界面粗糙度决定的不随倾角而改变的内摩擦力,可得到任意倾角下纤维全长度的拉拔力曲线,通过与试验对比校核后,利用该模型分析各细微观参数对平直纤维全长度拉拔曲线的影响。全文开展了数值模拟、与试验对比验证和理论推导,为微细钢纤维增强水泥基复合材料复杂断裂过程的数值模拟提供了可行的方法,所获得的参数分析结果对材料微观组分设计和优化具有重要的参考意义。