Safe design of large civil engineering structures like cable-stayed bridges require understanding of the dynamic response under unsteady wind loads. Presently, wind tunnel testing is considered to be the most effective means of determining aerodynamic characteristics of proposed bridge sections during design process. However, the extent of data available from these tests is insufficient to comprehensibly explicate the complex flow mechanisms involved. This study aims to employ the use of computational fluid dynamics for elaborating those aspects of bridge engineering that still needs ameliorate understanding to help the designing of bridges. Comprehensive investigations are conducted on flutter and vortex induced characteristics of bridges considering its interaction with section width ratio, geometrical improvements of sections, small section attachments and aerodynamic countermeasures along with yaw angles of attack, respectively. Thus, broadening the on hand knowledge of bridge aerodynamics and increasing the capability of CFD methods for design process as an efficient alternative of wind tunnel approach. A streamline box girder section of cable stayed bridge, Nanjing Bridge, and a non-streamline box girder section, Trans-Tokyo Bay Bridge, are selected as examples to conduct investigations on the aero elastic instability and vortex induced vibrations.

A review of past studies about flutter and vortex induced vibrations using wind tunnel testing and computational fluid dynamics was conducted to identify the shortcoming of these fields. In light of this review, following objectives of this study are identified. First inclusion of section attachments for clear understanding of influence of such details on the aerodynamic behavior of bridge sections as well as suitable methods needed to numerically model different kinds of wind tunnel testing facilities. And guidance to model small section attachments present in real bridges is needed. Secondly, to elaborate the influence of the section width, use of fairing and small section attachments on the mechanism of aero elastic instability. And, for vortex-induced vibrations, understanding of the amplitude suppression mechanism of aerodynamic control measures and yaw angle of attack is identified as a goal for this research.

New modeling techniques to introduce the small section attachments, and appropriate representation of testing boundary conditions, as used in wind tunnel are developed to setup the numerical wind tunnel. To include small section attachments, a schematic use of hybrid grid, including both structured and unstructured grids, is proposed around the complex geometry. To determine aero elastic stability of bridges, there are three kinds of sectional model tests used that are i) static test, ii) forced vibration test and, iii) free vibration test. Use of sliding grid is introduced in the field of computational bridge engineering in order to meet the oscillatory conditions for forced and free vibration tests. Also boundary conditions for the forced/free vibration cases with and without yaw angle of attack are proposed.

Understanding of contribution of section attachments likes handrails, etc. to aerodynamic coefficients is required in order to achieve best aerodynamic configuration. The inclusion of such attachments to accurately model their influence on aerodynamic coefficients proves to be very difficult because of very small size compared with section itself. Investigation on the presence of such reveals a drastic increase in drag coefficient of bridge section at lower angle of attacks and, the lift and moment coefficients are reduced at higher angle of attacks. For the accurate modeling of section attachments, in contrast to conventional methods, this study proposes a method to use sub-domains containing large number of grids in vicinity of small attachments only, and introduce a wake region of about 8 to 10 times the dimension of small attachments. This proposed method avoids the need of larger computational facility and longer time required to obtain gird independent solution.

Achieving higher critical velocity is desirable for the aeroelstic stability of bridge. Critical flutter velocity depends upon width to depth ratio, geometrical configuration of section and small section attachments. Comprehensive investigations are conducted to acquire higher critical velocity for sections with smaller width to depth ratio. Increase in aspect ratio showed stabilizing effect by reducing the section width ratio subjected to negative pressure. Fairings are introduced at both ends of section with low aspect ratio that results in higher critical velocity by smooth separation of flow subjecting smaller width of section to negative pressure. For streamline section used, absence of section attachments does not alter flutter characteristics, as the separation point does not change for smaller rotational angle used in analysis. Careful selection of rotational angles, based on steady analysis, should be made to account for influence of such details. Introduction of 3D model has considerably improved prediction of flutter characteristics than 2D models.

Bridges experiencing VIV require reduction in amplitude of vibration to meet design criterion for serviceability reasons. These vibrations are suppressed by use of aerodynamic vibration control measures (AVCM) and, also depend upon yaw angle of attack. Though several studies have shown use of AVCM on case-by-case basis, but vibration suppression mechanism of such measures is still unclear. AVCM like fairing and double flap are used to understand the controlling mechanism of VIV observed in Trans-Tokyo Bay Bridge. In contrast to fairing, use of double flap resulted in reduced amplitude of vibration and mean pressure distribution from free vibration showed flow reattachment on upper surface. Examination of steady aerodynamic coefficients shows presence of sharp positive slope for lift coefficient in case of fairing, whereas change in positive slope of lift force to a negative slope in double flap case was identified to be responsible for reduced amplitude of vibration. Vortex shedding frequency is found to change with increase in yaw angle and results in reduced velocity that falls outside range critical reduced velocities. Finally, a method is proposed, based on identification of critical reduced velocity, to efficiently predict maximum amplitude of vibration.

In short, this study focuses on introduction of new modeling techniques and flow mechanism corresponding to aero elastic instabilities and vortex induced vibrations. An accurate inclusion of small attachments requires not only introduction of fine grid but also wake region behind such details. Flutter characteristics are found to be dependent on the section width, and use of fairings results in more stable section by improving the surface pressure distributions. To fairly include effect of section attachments on flutter characteristics, investigations on steady aerodynamic coefficients should be examined to identify the range of rotational angles representing influence of section attachments. Examination of the steady aerodynamic coefficients provides deep insight of amplitude suppression mechanism of AVCM. Change in vortex shedding frequency with increase in yaw angle accounts for the reduced amplitude of vibrations. Finally based on this study, recommendations for the future studies are listed.

　長大橋の設計においては風による橋の動的応答を定量的に評価することが極めて重要であり、長大橋の橋桁の空気力特性を調べるにはこれまでに風洞実験が広く用いられてきた。しかし、風洞実験からは、橋桁まわりの複雑な流れに起因する空力振動現象の発生メカニズムを解明することが難しく、風洞実験の結果を一般に利用することは困難である。本研究は、数値流体力学を用いて、橋断面の辺長比、断面形状、高欄などの付加物、空力制振装置、風向などの要因がフラッター発振風速や渦励振の振幅に与える影響を調べ、長大橋における空力振動現象の発生メカニズムの解明を試みたものである。本研究では流線形箱桁断面を有する南京長江第三大橋と非流線型箱桁断面を有する東京湾アクアラインを対象に、フラッター発振風速と渦励振の振幅を予測し、風洞実験と比較することにより実橋梁断面における空力振動現象の予測精度を検証するとともに、数値風洞を利用するための境界条件の設定方法や効率的な格子生成方法を提案している。

　第1章は序論であり、長大橋における耐風設計のプロセスを概説し、フラッターや渦励振に代表される空力振動現象の解明の重要性を述べるとともに、本論文の構成を記述している。

　第2章は、長大橋の空力振動現象に関する既往研究のレビュー、問題点の抽出及び本研究の目的を述べている。本研究は、橋桁の空気力特性に及ぼす高欄などの付加物の影響を明らかにするための数値モデル及び数値予測手法の構築、橋断面の辺長比、フェアリングの設置、高欄などの小さな付加物が空力不安定振動発生に及ぼす影響及びそのメカニズムの解明、渦励振を低減するための空気力学的な制御方法と迎え角の影響の定量的な評価を目的とする。

　第3章は風洞実験について述べている。橋桁の空力特性を調べるための静的三分力試験、強制加振試験、自由振動試験について説明すると共に、本研究で開発した数値モデルの予測精度を検証するための風洞実験及び現地観測の結果をまとめている。また橋桁の空気力特性に及ぼす影響を明らかにするために、手すり、高欄、検査車レールなどの付加物がある場合とない場合の橋桁に関する静的三分力試験を実施し、付加物による橋桁の抗力、揚力、モーメント係数の変化を定量的に評価した。

　第4章は、本研究で開発した実橋梁断面における付加物の数値モデルの作成方法と風洞実験を模擬するための新しい境界条件の設定方法を述べている。構造と非構造格子を用いた複合型格子を提案することにより、複雑な幾何学形状を有する付加物の数値モデルの高精度化と高効率化を実現している。また橋桁の空力特性を調べるために、静的三分力試験、強制加振試験、自由振動試験を模擬した数値モデルを開発し、スライディング格子を用いることにより、数値的に橋桁における強制加振と自由振動を再現することを可能にした。

　第5章は、付加物を有する橋桁断面の抗力、揚力、モーメント係数の数値予測結果及び高効率の格子生成方法を述べている。橋桁断面に比べ、付加物の大きさが極めて小さいが、そのモデル化が空気力係数の予測精度に寄与し、迎角の小さい場合の抗力係数及び迎角の大きい場合の揚力とモーメント係数に大きな影響を与えていることを明らかにしている。また本研究では小さな付加物の周辺及び付加物の8〜10倍の後流域に計算格子を集中させることが可能な領域分割法を採用し、従来の数値解法に比べ、短時間かつ少ない計算機で格子依存性のない解を得ることを可能にしている。

　第6章は、橋断面の辺長比、フェアリングの設置、高欄などの小さな付加物がフラッター発振風速に与える影響及びその発生メカニズムを述べている。(1)橋断面の辺長比を長くすることにより、橋桁先端部に発生するピーク圧力が低減し、空力安定性が高まること、(2)フェアリングを設置することにより、前縁剥離やピーク圧力が抑えられ、辺長比の小さい橋断面でも高い空力安定性を得られること、そして、(3)付加物の存在が剥離点の位置を移動させ、フラッター発振風速に大きな影響を与えることを明らかにしている。また3次元解析を実施することにより、2次元解析に比べフラッター発振風速の予測精度が向上されることを示した。

　第7章は、空力制振装置、風向などの要因が渦励振の振幅に与える影響及びその発生メカニズムを述べている。フェアリングに比へ、ダブルフラップが渦励振への抑制効果が大きいことを再現し、平均揚力係数の勾配が渦励振の振幅に大きな影響を与えることを明らかにするとともに、迎角の増加が後流渦の振動数を変化させ、迎角の増加に伴い渦励振振幅が急速に減少するメカニズムを解明している。また渦励振の発振風速を同定することにより、渦励振の最大振幅を高精度に予測できる数値解析手法を提案している。

　第8章は結論であり、第7章までに得られた結論をまとめるとともに、今後の課題に言及している。

　以上のように、本論文は付加物を有する実橋梁断面における空気力特性を予測することの可能な数値解析手法を構築し、それを用いて南京長江第三大橋及び東京湾アクアラインを対象にフラッター発振風速と渦励振の振幅を予測するとともに、橋断面の辺長比、断面形状、高欄などの付加物、空力制振装置、風向などの要因がフラッター発振風速や渦励振の振幅に与える影響を明らかにしたものである。この研究成果は実橋梁断面における空力不安定現象の発生メカニズムの解明及びその対策に有用な知見を提供し、空気力特性の優れた橋桁の開発及び長大橋梁の耐風安全性の向上に貢献するものである。よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認める。