三角形铁塔是具有三个支撑基础,其整体平行于地面的横截面呈三角形的铁塔。目前我国高压电输送均采用四边形铁塔,相比于四边形铁塔,60度角钢的三角形铁塔具有抗载荷能力强、约束应力小、温度应力小、结构稳定、风阻小、占地面积小、材料潜力能够充分发挥等极为重要的优点,但是60度角钢的三角形铁塔在工程中的应用却很少见。到目前为止,人们还没有对60度角钢和三角形断面铁塔的力学性能进行系统的理论分析、数值计算、实验测量研究。本文开展60度角钢和三角形断面铁塔的力学特性研究,将三角形断面铁塔的研究成果应用于输电铁塔和风力发电机组塔架工程中,解决三角形断面铁塔作为输电铁塔和风力发电机组塔架时所遇到的若干关键力学问题,是一项既有理论创新意义又有实用价值的研究课题。对于60度角钢的整体失稳问题,采用薄壁构件扭转的稳定理论,考虑角钢的弯曲失稳和弯扭失稳,给出了60度角钢临界屈曲荷载的表达式;对于60度角钢的局部稳定受力性能,采用瑞利-里兹法计算得到的临界荷载与有限元数值仿真结果进行对比分析,给出了轴心受压状态下60度角钢构件嵌固系数的参考取值;根据“等稳定”准则推导出适合于60度角钢肢件宽厚比限值的计算表达式,并与《钢结构设计规范》、《美国导则》和《架空输电线路杆塔结构设计技术规定》的相应设计方法和计算公式进行了对比分析。建立60度角钢的三角形塔单元格模型和直角角钢的四边形塔单元格模型,推导了三角形塔单元格和四边形塔单元格在轴力、剪力、弯矩、扭矩作用下,主材、斜材、横材的轴力表达式;推导了在弯矩作用下单元格的位移表达式;推导了在扭矩作用下单元格的扭转角表达式;研究了铁塔单元格对铁塔主材、斜材、横材轴力的影响;给出了三角形铁塔和四边形铁塔的整体刚度和稳定性计算表达式,研究了三角形铁塔和四边形铁塔的优化方法,计算了三角形铁塔的最佳根开和层高,编制了相应的计算软件;建立了三角形铁塔双支撑杆的主材或斜材横向位移稍大时的失稳模式,寻找出双支撑杆的两种失稳模式(模式I和模式II)与结构尺寸、主材或斜材横向位移的关系,给出两种失稳模式间的转换临界值,该值的准确性得到了试验的验证。为了验证60度角钢和三角形断面铁塔的力学特性,本文从数值仿真和实验测量两方面开展了大量研究工作。数值仿真方面:(1)利用有限元分析软件ANSYS建立了有限元数值仿真模型,对两肢夹角为60度的等边角钢进行特征值屈曲分析,验证了60度角钢临界屈曲荷载和肢件宽厚比限值表达式的正确性;(2)建立了60度角钢的三角形铁塔有限元模型和直角角钢的四边形铁塔有限元模型,对模型进行了几何非线性计算和特征值屈曲分析,数值计算结果与试验结果吻合较好,也很好的验证了理论表达式;(3)分别取呼高为18m双回路直线和18m单回路转角塔为研究对象,根据每种铁塔在各种工况下产生的弯矩和扭矩,编制了Fortran计算程序,通过循环得到铁塔各层主材和斜材在相应工况下的最大弯矩和扭矩,找出对主材和斜材最不利的荷载工况。在设计三角形铁塔时,取三角形铁塔和四边形铁塔塔底根开、塔身斜率及层数、层高相同,在总耗材量相等的原则下,初步优化得到三角形铁塔各杆件的尺寸。通过有限元分析计算,得到两种塔型分别在最不利荷载工况下的主材和斜材的轴力,并且分析对比两种塔型的最大应力情况;(4)给出了三角形断面风电机组塔架的风荷载计算方法;对于一给定风力发电机型号,提出了三角形断面风电机组塔架的设计方案;采用热点应力法校核风电机组塔架主材与斜材连接处、斜材与斜材连接处的疲进强度。实验测量方面:在室外试验基地开展了三角形断面双回路转角塔和直线塔的真型试验。塔体主材的试验值与有限元计算值大都一致,并且对于实测绝对值比较大的斜材和横材,实验结果与有限元计算值也都吻合得比较好。通过实验测量和有限元计算的比较分析,验证了三角形铁塔理论的合理性。