本节全面回顾了船舶与桥梁碰撞分析的相关文献，并概述了本研究的主要目标和创新点。
随着中国各行业的快速发展，交通运输业取得了显著增长，跨越通航水道的桥梁数量大幅增加，从而提高了运输效率和经济规模[1]。同时，中国工程师在船舶设计方面的持续进步使得船舶的尺寸更大、速度更快、载货能力更强[2,3]。另一方面，船舶与桥梁的碰撞事故时有发生，其原因多种多样[[4], [5], [6], [7]]。值得注意的是，即使对于同类型的船舶，不同的货物载荷也会导致桥梁结构在撞击时受到不同程度的损坏[8]。最近的媒体报道记录了几起严重的船舶与桥梁碰撞事件[9]。2015年10月15日，“月福商工2038”号船舶撞击了肇庆西江大桥（一座公路铁路两用桥）的钢桁架梁，导致下部弦杆、水平构件和纵向接头受损，损失超过4000万元人民币。2016年4月16日，东莞广深公路穿查大桥的T形梁被一辆砂运输车辆的升降柱损坏[6]。这些事故造成了巨大的直接和间接经济损失，并对社会产生了深远影响，凸显了船舶与桥梁碰撞对基础设施安全和社会稳定的持续威胁[10]。因此，从多个角度和方法论角度进行全面的船舶与桥梁碰撞模拟至关重要[8]。
数值模拟已成为船舶-桥梁碰撞研究的核心技术方法之一。早期的工作开创了用于驳船撞击桥墩的高效动态分析模型，为后续研究奠定了基础[11]。后续的发展引入了用于驳船碰撞的高效非线性动态有限元模型。这些研究系统评估了方形钢筋混凝土桥墩的动态响应和撞击过程的模拟效率，证明了简化数值模型在工程应用中的可行性[12,13]。进一步的研究调查了驳船撞击下三柱桥墩的动态性能，揭示了多柱桥墩的载荷分担机制和损伤特性[14]。分析的扩展还考虑了在冲刷条件下双塔斜拉桥的船舶碰撞响应，考虑了复杂环境因素对结构抗冲击能力的影响[15]。非线性数值分析也被用来逐步评估船舶撞击下斜拉桥桥墩的损伤过程[16]。最近的研究采用了纤维梁单元来分析船舶对悬索桥主塔的碰撞损伤，平衡了计算精度和效率[17]。尽管这些数值研究为分析船舶与桥梁碰撞的机械机制提供了可靠的框架，但大多数研究主要集中在桥墩和塔等核心组件上。因此，如桩帽等关键载荷传递组件的局部响应仍然研究不足。此外，缺乏考虑多参数耦合效应的高保真分析。
在理论分析领域，研究人员致力于开发简化的实用模型以用于工程计算。早期研究提出了一种简化的预测方法，用于评估驳船撞击下桥墩的响应，为快速的结构安全评估提供了便捷工具[18]。后续研究进一步改进了桥墩-驳船碰撞的简化力-时间历史模型，从而提高了载荷输入的准确性[19]。最近，引入了简化的分析方法来评估水驱动船舶碰撞下桥梁的动态行为；这些方法在精度和计算效率之间取得了平衡，将理论模型的适用范围扩展到了更广泛的场景[20]。虽然这些简化方法适用于初步工程设计，但它们在处理复杂场景（如倾斜或高速碰撞）时的适用性仍需进一步验证。此外，它们通常无法完全捕捉组件级别的非线性演变过程。
然而，尽管取得了上述显著成就，现有文献中仍有几个关键问题尚未得到充分解决。大多数研究关注桥墩或梁的整体响应，而组件级别的详细动态响应和破坏机制，尤其是球形船首撞击下的桩帽响应仍缺乏。此外，在高保真模拟中，船舶吨位、撞击速度、碰撞角度和混凝土强度对损伤演变和能量分布的耦合效应尚未系统揭示。此外，很少有研究定量确定了桥墩顶部位移、甲板边缘位移和撞击点应力等关键结构响应的非线性演变规律和临界速度阈值，而这些对于抗碰撞设计至关重要。为了填补这些研究空白，本研究对船舶-桥梁碰撞系统的动态响应和破坏机制进行了系统研究。使用SPH-FEM耦合方法建立了一个16,220载重吨位的散货船与连续梁桥桩帽碰撞的高保真数值模型。该模型能够准确捕捉船首和桥梁组件的较大变形、局部破碎、塑性变形、屈曲和断裂，提高了碰撞模拟的真实性。
定量分析了多个关键参数（包括撞击速度、碰撞角度、船舶载荷条件和混凝土强度等级）对结构位移、撞击力、能量转换和破坏模式的耦合效应。桩帽、桥墩和船首的不同损伤特性和破坏机制得到了清晰区分[21]。通过曲线拟合和无量纲分析桥墩顶部位移、甲板边缘位移和撞击点应力，揭示了结构响应随速度的非线性演变规律，并确定了10米/秒的临界速度阈值[22,23]。这为桥梁的抗碰撞设计和安全评估提供了直接的定量依据。总体而言，在各种工作条件下进行了参数分析，并通过数值和理论方法进一步解释了桥梁和船舶的动态响应特性和破坏机制。这些结论可以支持桥梁抗碰撞设计的优化，提高结构可靠性评估的准确性，并提升水路运输的安全水平。
原型船舶的有限元模型及其主要尺寸如图1所示。该模型由28,414个壳单元组成，用于表示船体结构，其中船首区域进行了细化处理，以捕捉撞击过程中的局部变形。
