在古城西安，有一位老者，經過半個多世紀的執著探索，發展出了“第一個寫入基礎力學教科書的中國人的理論”。 通過這些基礎理論，這位老者把鐘樓、鼓樓等古建築結構的抗震性、穩定性完美地呈現在我們面前，為我們提供了認識古文物、保護古文物的科學依據。
他就是西安交通大學俞茂宏教授。近年來，他從這些傳統文化中汲取營養，在傳統文化與現代科學相結合方面譜寫了新篇章。
“統一強度理論”的前世今生
強度理論研究材料在複雜應力作用下的屈服和破壞規律，是各種工程結構強度計算和設計必需的基礎理論。由於各種土木、水利、機械、航空、軍工等工程結構中的材料大多處於複雜應力作用下，因此強度理論具有重大的理論意義和應用價值。一個多世紀以來，強度理論在世界範圍內研究廣泛，呈現出“百花齊放，百家爭鳴”的態勢，但是進展緩慢，一直沒有一個能夠應用於各類材料統一的強度理論。
1901年，德國哥廷根大學著名教授沃伊特認為，對於各種不同材料應用一個強度理論是不可能的。1953年，美國著名教授鐵木辛柯在《材料力學發展史》中寫道：“強度問題是非常複雜的，要想提供一個單獨的理論有效地應用到各種建築材料上是不可能的。”這個論斷被稱為“沃伊特—鐵木辛柯難題”。1985年《中國大百科全書（第一版）》中也寫道：“想建立一種統一的、適用於各種工程材料和各種不同的應力狀態的強度理論是不可能的。”
早在1961年，俞茂宏教授就提出了雙剪概念，並推導出雙剪應力屈服準則，突破了“最大剪應力”或“單剪”這一傳統概念。1985年，他又在國際上首次提出更為全面的“雙剪強度理論”。在此基礎上，1991年俞茂宏正式發表統一強度理論公式，將各種單一的準則和理論發展為統一強度理論。統一強度理論是對“沃伊特—鐵木辛柯難題”的破解，改變了科學界關於“統一強度理論是不可能的”這一論斷，是國際創新的基礎理論研究成果。
源於“鎮館之寶”的力學模型
2018年伊始，世界著名科技出版集團德國斯普林格出版社出版了俞茂宏最新學術著作《統一強度理論及其應用（第二版）》。據介紹，這是西安交通大學出版社與斯普林格出版社的首次合作。斯普林格出版社已經出版了160多名諾貝爾獎獲得者的著作，是世界上最大的科技出版集團。
與2004年出版的第一版相比，這本書作了比較大的修改，書中新增加了6章，其中一章為26面體應力強度理論。該理論是俞茂宏教授近年來的最新成果，它的提出基於一個新的26面體力學模型。俞茂宏用這個新的26面體力學模型建立了一個普遍形式的強度理論，從而將線性的單剪、雙剪理論和非線性的三剪理論都統一於一體。
俞茂宏介紹，這個力學模型的提出受到了陝西曆史博物館館藏文物西魏大將軍獨孤信（502年—557年）多面體煤精組印的啟發。多面體煤精組印呈26面，其中正方形印面18個、三角形印面8個，有14個正方形印面鐫刻印文，14面印文內容不同，各有用途，是研究北朝印璽制度的珍貴實物資料。26面力學單元體與該多面印幾何形狀相同，其中6個正方形面為主應力面，另外12個正方形面為主剪應力面，8個三角形面為8面體應力面。“26面體力學模型與多面體煤精組印十分神似，讓人不禁感嘆古人的智慧。”在俞茂宏看來，他的力學理論研究從中國豐富的歷史文化中汲取了很多營養，“26面體應力強度理論是古代文化與現代科技的結合，在絲綢之路文化的傳播中獨具特色。”
文化與科技交相輝映
俞茂宏教授在古建築研究方面也做了大量工作。我國著名的古建築專家羅哲文教授曾指出：“古建築的研究遵循古建築的歷史性、藝術性和科學性，但由於對古建築進行科學研究的難度較大，工作甚是艱鉅，加之一些條件的限制，對於科學性方面的研究工作較少……俞茂宏教授的研究將現代科學技術包括新的力學理論、新的計算方法和現代儀器以及試驗方法引入古建築的科學研究中， 進行了長期系統的開創性工作，具有重要的意義。”
早在上世紀80年代初，由於西安北城門箭樓搶險工程、東城門城樓修繕工程以及鍾、鼓樓修繕工程等的需要，俞茂宏帶領團隊先後對箭樓、鐘樓、城牆、城樓、鼓樓、大雁塔、小雁塔等7個國家重點保護文物的結構力學特性進行了研究，這項工作歷時27年。“在那27年中，我們經常有機會在這些建築的構件拆除、更換、安裝和加固的過程中，進入這些建築的內部進行觀察、拍照、現場試驗和理論研究，得到一批珍貴的研究結果和歷史資料。”俞茂宏介紹說。在這個過程中，他展開了古建築黃土力學性能和黃土強度理論、城牆空洞對城牆塌陷和開裂的影響、車輛對鐘樓的震動和噪聲影響、城樓的抗震性能等一系列研究，為西安古城牆和鍾、鼓樓的開發提供了科學依據。他和團隊計算了西安古城牆可以承受的最大安全載荷，為城牆馬拉松國際比賽的可行性提供了科學數據。同時，他對西安鐘鼓樓抗震特性也進行了系統研究，闡明瞭鍾、鼓樓經歷多次地震而屹立不倒的科學特性，被認為是“中國古建築結構力學研究理論上有了中國特色” 。
此外，俞茂宏對西安大雁塔和小雁塔的地基結構形狀、塔的地宮對地基承載力的影響等也進行過研究，並作出“地宮的存在對塔的地基承載力有好處”的判斷，由此得出“有塔必有地宮”的結論，提出“保護古塔必須同時保護好地宮”的建議。後來，根據這些研究成果，杭州的雷峰塔和我省其他的一些塔在維修的時候也都發現了地宮。傅熹年院士評價俞茂宏關於古建築結構力學的研究時認為：“
俞茂宏教授關於古建築科學性的研究，剛好填補了中國古建築史的一個空白。”
俞茂宏教授所任職的西安交通大學是首批進入國家“211”和“985”工程建設、國家確定為以建設世界知名高水平大學為目標的學校，為我國最早興辦的高等學府之一。 在新的歷史起點上，西安交通大學深入學習貫徹新時代中國特色社會主義思想，聚焦立德樹人根本任務，堅持“紮根西部、服務國家、世界一流”辦學定位，正以堅定的信心、豪邁的氣魄、百倍的努力，堅定不移地推進綜合改革，推進“雙一流”建設，推進內涵式發展，奮力書寫新時代學校發展新篇章。
閱讀更多 西安交通大學研招辦 的文章
