《Ocean Engineering》：Dynamic behavior of long-span cable-stayed bridge under ship-pylon collision
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长跨度斜拉桥船撞安全评估研究。基于高精度有限元模型，通过应力初始化方法与典型碰撞场景模拟，揭示了桥梁全局稳定性与局部损伤特征。研究表明桥体未整体倒塌但碰撞桥墩严重受损，桩基最大横向位移133mm，存在显著鞭梢效应，总能量吸收率达95.9%。
X. 刘 | D. 陈 | H. 吴
同济大学土木工程学院，上海，200092，中国
摘要
船舶碰撞对跨越通航水道的桥梁构成了潜在风险。在本研究中，建立了一个精细化的有限元（FE）模型，用于模拟一座标志性长跨度斜拉桥在船舶与桥塔碰撞下的整体和局部动态行为。首先，对斜拉桥的FE模型进行了详细建模，并通过模拟单个构件的冲击试验和现有的冲击试验来验证材料模型的准确性。然后，提出了一种改进的质量加权阻尼方法来初始化桥梁的应力状态，并通过初始状态验证了其合理性。最后，使用一艘质量为24024吨、碰撞速度为6米/秒的典型船舶与桥塔碰撞场景来检验桥梁的动态行为。研究结果表明：（i）斜拉桥整体未发生倒塌，而受撞击的桥塔出现了明显的局部损伤；（ii）桥群基础的最大横向位移达到了133毫米，超出了设计限制；（iii）桥塔在自由振动阶段出现了明显的鞭打效应，最大横向位移为355.9毫米；（iv）梁的位移导致了支座失效和缆索力的变化；（v）船舶和桥梁分别吸收了约95.9%和4.1%的碰撞能量。
引言
跨越通航水道的长跨度斜拉桥面临船舶碰撞的潜在风险。近年来，由于船舶碰撞导致的标志性桥梁倒塌造成了巨大的经济损失、公众恐慌和人员伤亡，例如美国的阳光天桥和弗朗西斯·斯科特·基桥，以及中国的九江桥和临兴沙桥（AASHTO, 2009; Zhang et al., 2024; Ghasemi et al., 2025）。对于这种广泛建造的斜拉桥，通航通道通常位于两个桥塔之间的主跨度上，而次级通航通道则位于桥塔与侧跨的辅助墩之间。因此，可以预期桥塔比辅助墩和过渡墩更容易受到过往船舶的碰撞（Pedersen et al., 2020; Guo et al., 2022a; Zhang and Pedersen, 2026）。由于上部结构的永久荷载，桥塔在船舶碰撞下可能会遭受严重的局部损伤，并进一步引发整个桥梁的意外动态响应。因此，需要深入研究长跨度斜拉桥在船舶与桥塔碰撞下的动态行为。
跨越通航水道的桥梁的船舶碰撞设计仍处于初级阶段。相关规范中的设计方法（CEN, 2006; AASHTO, 2009; MTPRC, 2020a）通常依赖于静态冲击力，忽略了桥梁的动态行为。因此，在过去的几十年中，针对不同类型的船舶（如内河驳船和远洋船舶）以及不同规模（如原型桥和缩比钢筋混凝土（RC）构件）进行了桥梁碰撞试验。Consolazio等人（2002, 2003, 2006）率先进行了一系列原型驳船-简支梁桥碰撞试验。试验结果表明，上部结构的质量和惯性效应的影响显著，受撞击墩的位移超过了AASHTO规范（1991）的预测。原型碰撞试验为桥梁在船舶碰撞下的动态行为提供了宝贵的见解，但高昂的成本和耗时可能难以承受。实验室对单个墩的冲击试验（Sha and Hao, 2013; Wan et al., 2019; Chen et al., 2020）通常使用固定基底，因此缩比船舶的冲击力主要集中在受撞击位置和墩底。对于双柱墩（Chen et al., 2022; Heng et al., 2023），在受撞击柱和相邻柱中都观察到了弯曲失效，连接梁的混凝土裂缝也很明显。此外，Guo等人（2022b, 2023）对由2×2桥群基础支撑的单个墩进行了缩比冲击试验，发现随着土壤冲刷深度的增加，桥帽的位移更为显著。
鉴于缩比碰撞试验无法完全反映原型桥的动态行为，通过建立桥梁的FE模型（Jiang et al., 2017; Shen et al., 2022），数值模拟成为一种可行的方法。然而，以往的研究主要集中在RC梁桥上，关于长跨度桥梁的文献相对较少。Gholipour等人（2018）建立了斜拉桥在船舶碰撞下的FE模型，证明了上部结构的轴向力导致了更大的冲击力和更严重的桩顶剪切失效。他们的进一步研究（Gholipour et al., 2020）还发现，船舶碰撞在桥塔梁处引发了塑性铰链，并在自由振动阶段发展为弯曲-剪切失效。Fan等人（2011）通过对由混合梁和实体元素构建的斜拉桥施加冲击力，建议使用动态而非静态的船舶冲击力来预测桥梁响应，Song等人（2022）证明在较高速度碰撞情况下，墩的几何形状对冲击力的影响更为显著。Guo等人（2020）对双桥塔斜拉桥进行了数值模拟，分别使用实体元素表示上部结构，使用弹簧元素简化了土桩相互作用。通过移除土层的弹簧来模拟不断增加的冲刷深度，这加剧了受撞击桥塔的横向位移和混凝土损伤。对于其他类型的长跨度桥梁，Sha等人（2019）评估了浮桥的碰撞抵抗能力和能量吸收能力，Wang等人（2025）分析了典型悬索桥中桥群基础的曲率-时间历史。
针对当前研究的重点——长跨度斜拉桥在船舶与桥塔碰撞下的动态行为，仍存在以下研究不足：（i）以往的研究主要集中在尺寸有限的简支梁桥上，而对于长跨度斜拉桥，现有的简化建模方法通常无法同时预测从毫米到公里多个尺度上的局部损伤和整体响应；（ii）以往文献强调了斜拉桥在船舶碰撞下的动态行为，特别是受撞击的桥塔，而桥梁各部分的局部损伤（如桥群基础的內力和对角缆索的力变化）以及整个桥梁的整体响应（如桥塔的惯性和鞭打效应、钢箱梁的位移）尚未得到明确。
为了解决上述研究不足，建立了一个精细化的FE模型，用于研究船舶碰撞引起的动态行为。首先，对斜拉桥的主要特性和详细配置进行了建模。利用单个构件的FE模型和现有的落锤冲击试验来验证材料模型的准确性。然后，通过提出的应力初始化方法获得桥梁各部分的初始状态，以验证所建立FE模型的可靠性。最后，通过典型的船舶与桥塔碰撞场景全面检验了长跨度斜拉桥的动态行为。对碰撞过程进行了整体观察，并对桥梁各部分进行了详细分析，还评估了能量转换和吸收情况。本研究为长跨度斜拉桥的安全评估和抗船舶碰撞设计提供了有益的参考。
精细FE模型的建立
为了捕捉长跨度斜拉桥在极端船舶碰撞下的整体和局部行为，高保真度的精细FE模型至关重要。本节介绍了使用ANSYS/LS-DYNA（LST, 2023）为代表性长跨度斜拉桥建立精细FE模型的过程。同时简要介绍了作者先前研究中建立并验证的原型散货船的精细FE模型（Liu et al., 2025），该模型被用作参考。
材料模型和验证
准确的材料模型是数值模拟可靠性的基础。本节详细介绍了用于钢材、混凝土、支座和土桩相互作用的材料模型。随后，通过单个构件的模拟来验证所采用材料模型的准确性。鉴于钢套管桩提供了大部分的横向抵抗力，因此使用现有的缩比冲击试验进一步验证了材料模型。
桥梁模型的应力初始化和验证
桥梁结构的永久荷载对动态行为有显著影响，因此需要仔细处理应力初始化问题。长跨度斜拉桥由多个相互依赖的部分组成，复杂的结构系统给传统方法带来了挑战。本节提出了一种改进的质量加权阻尼方法来实现长跨度桥梁的应力初始化。
船舶-桥梁碰撞过程的整体观察
结合经过验证的长跨度斜拉桥和散货船的精细FE模型，进行了一次代表性的船舶-桥塔碰撞试验，总船舶质量为24024吨，碰撞速度为6米/秒。本节介绍了整个船舶-桥梁碰撞过程的整体观察结果。首先分析了撞击船舶的破坏模式和冲击力，然后分析了整个长跨度斜拉桥的破坏模式。
桥梁各部分的动态行为
这种精细FE模型的一个优点是能够同时预测多个尺度上的局部损伤和整体行为，而这在简化模型中通常是无法实现的。本节详细研究了碰撞过程中桥梁各部分的动态行为，特别是桥群基础、桥塔、钢箱梁和对角缆索。
能量转换和吸收
图32显示了系统能量-时间历史，以进一步评估整个碰撞过程中的能量转换情况。在应力初始化阶段，来自重力荷载的外部功转化为内部能量和阻尼能量，随着整个桥梁的稳定，这些能量逐渐增加并趋于一致。在0秒时，散货船与南桥塔的桥帽发生碰撞，之后船舶船头的折叠变形主要吸收了动能。
结论
为了设计和评估跨越通航水道的桥梁在船舶碰撞下的性能，建立了一个标志性长跨度斜拉桥的精细FE模型，并进一步用于研究船舶与桥塔碰撞下的动态行为。主要结论如下：
(i)建立了长跨度斜拉桥精细FE模型的主要特性和详细配置。提出了一种改进的质量加权阻尼方法来实现应力初始化
作者贡献声明
X. 刘：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件、方法论、形式分析、数据整理。D. 陈：撰写——审阅与编辑、资源获取。H. 吴：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（52378526）的支持。
