超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete,简称UHPC）是一种新型混凝土,主要由水泥、掺合料、纤维、细砂、水等组成,具有超高的力学性能和优异的耐久性能。在宏观层次上,超高性能混凝土可以被视为各向同性材料,也可被称为均一化材料。在介观层次上,超高性能混凝土常常被视为由四项物质组成,即:骨料、纤维、基体和界面过渡区（Interfacial Transition Zone,简称ITZ）。纤维是超高性能混凝土的核心组成之一,纤维的加入改变了超高性能混凝土的断裂模式,使其由脆性断裂转变为韧性断裂。本文基于试验数据,通过数值模拟和解析模型,系统的研究了超高性能混凝土的建模方法、弹性模量预测、纤维的拔出力学行为、超高性能混凝土的静、动态抗折性能,分析了纤维在超高性能混凝土中的增强增韧作用机理,相关内容及结论如下:（1）本研究提出了一种实用且有效的方法来生成混凝土的介观结构。在这个方法中,细胞格破碎算法（cell fracture）被用于生成任意形状的骨料,结合曲面细分算法（Surface subdivision）、CC细分（Catmull–Clark subdivision）、位移贴图（Displacement mapping）和拉普拉斯平滑（Laplace smoothing）算法来构造类真实骨料,包括卵石或碎石骨料的光滑或粗糙表面特征。纤维的几何形状通过欧几里得几何（Euclidean geometry）获得。通过碰撞算法（Collision algorithm）实现骨料与纤维之间无相互重叠。通过控制骨料与纤维实体模型的主、被动体状态获得定向或随机分布的纤维。文中探讨了骨料形状、尺寸、级配,以及纤维的掺量对混凝土结构和性能的影响,发现当纤维均匀分布在混凝土中时,界面过渡区的体积分数随着骨料级配和骨料粒径的增加而降低,随着骨料比表面积和纤维体积分数的增大而增大。该方法与解析模型及理论经验公式相结合,可以很好地预测界面过渡区的体积分数以及超高性能混凝土的弹性模量。与有限元、离散元等其他数值方法相结合,可以进一步研究超高性能混凝土的力学性能。（2）为了进一步研究超高性能混凝土弹性模量的预测方法,建立弹性模量与抗压强度之间的关系,本研究采用线性回归（Linear regression）、人工神经网络（Artificial Neural Network,简称ANN）、支持向量回归（Support Vector Regression,简称SVR）、决策树（Decision Tree）、随机森林（Random Forest）、XGBoost和K-近邻算法(（k-Nearest Neighbors,简称KNN）7种不同的机器学习方法对超高性能混凝土的弹性模量进行了预测。发现当使用较大的训练数据集时,XGBoost表现出最好的效果,其次是KNN。当训练数据集较小时,决策树的预测效果最好,其次是XGBoost。线性回归的预测精度最低。（3）根据不同养护龄期超高性能混凝土中直纤维、端勾纤维、波纹纤维的拔出试验,分别建立有限元模型和解析模型,研究纤维的几何特征和超高性能混凝土的养护龄期对直纤维、端勾纤维和波纹纤维拔出行为的影响。提出了一种考虑增强因子的修订界面摩擦定律,在该定律中,增强因子随超高性能混凝土养护龄期增长而增加,早期增长速度最快,之后趋于平稳。比较三种纤维修订界面摩擦定律中的增强因子,直纤维的增强因子最大,其次是波纹纤维,最小的是端勾纤维。在直纤维、端勾纤维和波纹纤维的纤维拔出解析模型中,考虑了纤维与基体之间由于界面压力而引起的摩擦力,该摩擦力随龄期的变化规律遵循幂函数关系。对于端勾纤维和波纹纤维,用弹塑性力矩计算塑性铰处的拔出能,用能量守恒定律计算旋转力。将修订的界面摩擦定律和三种解析模型的预测结果与试验结果和现有的解析模型的预测结果进行了比较,发现与未考虑超高性能混凝土抗压强度随龄期变化的解析模型相比,所提出的考虑混凝土养护龄期的解析模型和基于修订界面摩擦定律的数值模拟具有更高的精度,能更好地预测钢纤维在不同养护龄期的超高性能混凝土中的拔出行为。（4）为了进一步研究超高性能混凝土的静、动态抗折性能,首先基于有限元二维模拟,建立了75×75×300 mm~3、100×100×400 mm~3和150×150×550 mm~3三种不同尺寸的均一化宏观模型,混凝土本构采用损伤塑性模型（Concrete Damaged Plasticity,简称CDP）,基于商业有限元软件Abaqus分析了含短直纤维、短端勾纤维和长端勾纤维超高性能混凝土的尺寸效应,发现随着超高性能混凝土试块尺寸的增大,超高性能混凝土的静态抗折性能降低,混掺体积分数为0.5%的短直纤维和体积分数为1.5%的长端勾纤维的超高性能混凝土的静态抗折性能最好,最差的为单掺2%直纤维的超高性能混凝土。此外,根据（2）中提出的方法,建立了单掺及混掺短直纤维、长端勾纤维的超高性能混凝土二维介观模型及三维精细化模型,模型尺寸为250×40×10 mm~3,依托湖南大学超级计算机中心,研究了单掺、混杂钢纤维超高性能混凝土的动态抗折性能。采用ansys workbench软件生成有限元网格,采用Autodyn对超高性能混凝土的抗冲击性能进行了分析,发现纤维的几何尺寸和掺量对超高性能混凝土的动态抗折性能有显著影响。短直纤维桥接微裂纹而长弯钩纤维对防止主裂纹扩展起着至关重要的作用。锤头下方的纤维通过变形（包括弯曲、扭曲、偏转和拔出等）消耗能量。含有1%长端勾和1%短直纤维的超高性能混凝土具有最好的动态抗折性能,最差的为不掺纤维的素超高性能混凝土。这项研究提供了一种基于三维精细化模型的超高性能混凝土抗冲击性能仿真框架,可以得到超高性能混凝土中纤维的实时应力应变和变形特征,为进一步研究超高性能混凝土的动力学行为提供参考。