超高性能混凝土（UHPC）具有优异的力学性能和耐久性能,在核电、海洋和军事等领域具有极大的应用潜力,如何实现UHPC组成结构优化设是工程应用中主要关注的问题。从材料组成上看,UHPC可简化看作由高强水泥基材料和纤维组成;从结构上看,UHPC可看作是由水泥浆体基体、纤维以及纤维-基体的界面三相组成。现有研究建立了胶凝材料和骨料颗粒的密实堆积模型,优化基体中胶凝材料种类与用量,探讨了纤维种类、掺量、长径比、组合方式对纤维-基体界面性能和UHPC性能的影响。然而对于不同组成结构的UHPC基体,目前对纤维的优化使用仍然需要通过大量试验来确定,这是由于纤维增强水泥基材料中纤维和基体之间关系的研究尚不系统,缺乏纤维和基体的匹配理论依据。本文设计了三组不同强度等级的UHPC基体材料,系统研究了钢纤维掺量、尺寸及组合方式对不同强度等级UHPC工作性能和力学性能的影响,提出了钢纤维与基体的匹配原则,具体工作包括:设计了120MPa等级的UHPC水泥基体,研究了钢纤维掺量、长度及组合方式对其坍落扩展度、抗压强度和弯曲韧性的影响。结果表明:随着钢纤维体积掺量逐渐增加,UHPC的坍落扩展度逐渐降低;当钢纤维体积掺量超过2.5%继续增大时,其降低速率大幅增加;在该掺量下,随着钢纤维长度增大或者尺寸较长钢纤维占比增加,UHPC的坍落扩展度逐渐降低;单掺6mm长钢纤维时UHPC的坍落扩展度最优;采用单一种类钢纤维时,UHPC抗压强度随纤维掺量或长度增加逐渐增大;当纤维掺量超过2.5%后,UHPC抗压强度随纤维掺量增加增幅较小;在此掺量下,将长度为13mm与20mm钢纤维组合使用且前者比例为80%时,UHPC抗压强度最优。随着钢纤维掺量增加或长度增大,UHPC的弯曲韧性逐渐提升;当钢纤维体积掺量为2.5%时,采用长度为20mm钢纤维时UHPC的弯曲韧性最高。设计了150MPa等级的UHPC基体材料,研究了钢纤维掺量、长度及组合方式对其坍落扩展度、抗压强度和弯曲韧性的影响。结果表明:单独采用一种钢纤维时,随着钢纤维体积掺量或长度逐渐增加,UHPC的坍落扩展度逐渐降低;将不同钢纤维组合使用时,UHPC的坍落扩展度随小尺寸钢纤维占比的增加逐渐增加;单掺长度为6mm钢纤维时UHPC的坍落扩展度最优。UHPC抗压强度随着钢纤维掺量的增加先增大后减小,在钢纤维体积掺量为2.5%时取得最大值。在此掺量下,长度为6mm和13mm钢纤维比例分别为20%和80%时,UHPC抗压强度最高。随着钢纤维体积掺量的增加,UHPC峰值弯曲强度、韧性指数逐渐增大;当钢纤维体积掺量为2.5%时,UHPC的峰值弯曲强度、韧度指数和等效弯曲强度均随钢纤维长度的增大而提升。当组合使用两种尺寸钢纤维时,UHPC的峰值弯曲强度、韧性指数和等效弯曲强度均随组合中长纤维占比的增加而增大;当组合中长纤维比例为80%时,UHPC的上述性能指标最优。基于修正的Fuller级配模型,设计了160MPa等级的UHPC基体材料,研究了钢纤维体积掺量、长度及组合方式对其坍落扩展度、抗压强度、抗拉强度和抗折强度的影响。结果表明:单独使用一种钢纤维时,UHPC坍落扩展度随钢纤维掺量增加或长度增大而降低,当钢纤维掺量超过1.5%后继续增大时,UHPC坍落扩展度快速降低;当两种钢纤维组合使用时,UHPC坍落扩展度随尺寸较短纤维占比的增加而提高。单掺长度6mm钢纤维时UHPC的坍落扩展度最优,而采用长度20mm钢纤维则会显著降低UHPC坍落扩展度。采用单一钢纤维时,随钢纤维掺量增加或长度增大,UHPC抗压强度、抗拉强度、抗折强度均逐渐提升。在1.5%钢纤维体积掺量下组合使用0.5%的6mm钢纤维和1.0%的20mm钢纤维时,UHPC抗压强度最高。为了发挥钢纤维对UHPC抗拉强度和抗折强度的提升作用,钢纤维组合中较长纤维的掺量不宜小于1.0%;当坍落扩展度与抗压强度为关键指标时,设定6mm和13mm钢纤维掺量分别为3.0%和1.5%,可制备坍落扩展度达705mm、抗压强度达201.8MPa的超高性能混凝土。