在古城西安，有一位老者，经过半个多世纪的执着探索，发展出了“第一个写入基础力学教科书的中国人的理论”。通过这些基础理论，这位老者把钟楼、鼓楼等古建筑结构的抗震性、稳定性完美地呈现在我们面前，为我们提供了认识古文物、保护古文物的科学依据。

他就是西安交通大学俞茂宏教授。近年来，他从这些传统文化中汲取营养，在传统文化与现代科学相结合方面谱写了新篇章。

“统一强度理论”的前世今生

强度理论研究材料在复杂应力作用下的屈服和破坏规律，是各种工程结构强度计算和设计必需的基础理论。由于各种土木、水利、机械、航空、军工等工程结构中的材料大多处于复杂应力作用下，因此强度理论具有重大的理论意义和应用价值。

一个多世纪以来，强度理论在世界范围内研究广泛，呈现出“百花齐放，百家争鸣”的态势，但是进展缓慢，一直没有一个能够应用于各类材料统一的强度理论。

1901年，德国哥廷根大学著名教授沃伊特认为，对于各种不同材料应用一个强度理论是不可能的。1953年，美国著名教授铁木辛柯在《材料力学发展史》中写道：“强度问题是非常复杂的，要想提供一个单独的理论有效地应用到各种建筑材料上是不可能的。”这个论断被称为“沃伊特—铁木辛柯难题”。1985年《中国大百科全书（第一版）》中也写道：“想建立一种统一的、适用于各种工程材料和各种不同的应力状态的强度理论是不可能的。”

早在1961年，俞茂宏就提出了双剪概念，并推导出双剪应力屈服准则，突破了“最大剪应力”或“单剪”这一传统概念。1985年，他又在国际上首次提出更为全面的“双剪强度理论”。在此基础上，1991年俞茂宏正式发表统一强度理论公式，将各种单一的准则和理论发展为统一强度理论。统一强度理论是对“沃伊特—铁木辛柯难题”的破解，改变了科学界关于“统一强度理论是不可能的”这一论断，是国际创新的基础理论研究成果。

之后，他又用20年时间，将这一理论应用于一些典型结构问题，使之趋于完善。世界岩石力学与工程学会副理事长、中国工程院院士钱七虎在他的学术著作中评价道：“该理论突破了现有的单一强度理论模式，建立了一个有统一力学模型、统一理论、统一数学表达式而又适用从金属到岩石、土和混凝土等各类材料的统一强度理论，形成一个完整的理论体系，在强度理论发展史中是一个里程碑。”作为原创性基础理论，统一强度理论已被写入《中国水利百科全书（第二版）》《工程力学手册》等300多种学术著作和教科书中，产生了广泛的影响。2009年，《中国大百科全书（第二版）》将第一版中关于“统一强度理论是不可能的”这一论断删除。

统一强度理论以国际创新的学术成果传播到国外传统科技强国，产生了很大的影响，并扩展到世界多个国家。“作为一名科研工作者，能用自己的知识为世界文化交流和科学发展作出一点贡献，我感到很欣慰。”俞茂宏表示。

源于“镇馆之宝”的力学模型

2018年伊始，世界著名科技出版集团德国斯普林格出版社出版了俞茂宏最新学术著作《统一强度理论及其应用（第二版）》。据介绍，这是西安交通大学出版社与斯普林格出版社的首次合作。斯普林格出版社已经出版了160多名诺贝尔奖获得者的著作，是世界上最大的科技出版集团。

与2004年出版的第一版相比，这本书作了比较大的修改，书中新增加了6章，其中一章为26面体应力强度理论。该理论是俞茂宏教授近年来的最新成果，它的提出基于一个新的26面体力学模型。俞茂宏用这个新的26面体力学模型建立了一个普遍形式的强度理论，从而将线性的单剪、双剪理论和非线性的三剪理论都统一于一体。

俞茂宏介绍，这个力学模型的提出受到了陕西历史博物馆馆藏文物西魏大将军独孤信（502年—557年）多面体煤精组印的启发。多面体煤精组印呈26面，其中正方形印面18个、三角形印面8个，有14个正方形印面镌刻印文，14面印文内容不同，各有用途，是研究北朝印玺制度的珍贵实物资料。26面力学单元体与该多面印几何形状相同，其中6个正方形面为主应力面，另外12个正方形面为主剪应力面，8个三角形面为8面体应力面。“26面体力学模型与多面体煤精组印十分神似，让人不禁感叹古人的智慧。”在俞茂宏看来，他的力学理论研究从中国丰富的历史文化中汲取了很多营养，“26面体应力强度理论是古代文化与现代科技的结合，在丝绸之路文化的传播中独具特色。”

文化与科技交相辉映

俞茂宏教授在古建筑研究方面也做了大量工作。我国著名的古建筑专家罗哲文教授曾指出：“古建筑的研究遵循古建筑的历史性、艺术性和科学性，但由于对古建筑进行科学研究的难度较大，工作甚是艰巨，加之一些条件的限制，对于科学性方面的研究工作较少……俞茂宏教授的研究将现代科学技术包括新的力学理论、新的计算方法和现代仪器以及试验方法引入古建筑的科学研究中，进行了长期系统的开创性工作，具有重要的意义。”

早在上世纪80年代初，由于西安北城门箭楼抢险工程、东城门城楼修缮工程以及钟、鼓楼修缮工程等的需要，俞茂宏带领团队先后对箭楼、钟楼、城墙、城楼、鼓楼、大雁塔、小雁塔等7个国家重点保护文物的结构力学特性进行了研究，这项工作历时27年。“在那27年中，我们经常有机会在这些建筑的构件拆除、更换、安装和加固的过程中，进入这些建筑的内部进行观察、拍照、现场试验和理论研究，得到一批珍贵的研究结果和历史资料。”俞茂宏介绍说。

在这个过程中，他展开了古建筑黄土力学性能和黄土强度理论、城墙空洞对城墙塌陷和开裂的影响、车辆对钟楼的震动和噪声影响、城楼的抗震性能等一系列研究，为西安古城墙和钟、鼓楼的开发提供了科学依据。他和团队计算了西安古城墙可以承受的最大安全载荷，为城墙马拉松国际比赛的可行性提供了科学数据。同时，他对西安钟鼓楼抗震特性也进行了系统研究，阐明了钟、鼓楼经历多次地震而屹立不倒的科学特性，被认为是“中国古建筑结构力学研究理论上有了中国特色”。

此外，俞茂宏对西安大雁塔和小雁塔的地基结构形状、塔的地宫对地基承载力的影响等也进行过研究，并作出“地宫的存在对塔的地基承载力有好处”的判断，由此得出“有塔必有地宫”的结论，提出“保护古塔必须同时保护好地宫”的建议。后来，根据这些研究成果，杭州的雷峰塔和我省其他的一些塔在维修的时候也都发现了地宫。

傅熹年院士评价俞茂宏关于古建筑结构力学的研究时认为：“俞茂宏教授关于古建筑科学性的研究，刚好填补了中国古建筑史的一个空白。”

在俞茂宏看来，西安古建筑不但是西安的，也是中国和世界的，是人类共同的文化遗产。“能用我们原创的基础理论，服务我们的文化遗产，是一件很有意义的工作。”他表示。记者在采访中获悉，俞茂宏教授虽已进入耄耋之年，但仍然在进行多部学术著作和论文的著述，多次在全国性学术会议上进行大会特邀报告，并以专家的身份参与西安古城墙的保护工作，为丝绸之路文化交流与传播作出贡献。

原文刊载于陕西日报4月2日10版

报道链接：http://esb.sxdaily.com.cn/sxrb/20180402/html/page_09_content_000.htm

编辑/李昱静