Shaking Table Tests and Finite Element Study of Seismic Performance of Full‑containment LNG Storage Tanks

LIU Wei; XIAO Chang

doi:10.13409/j.cnki.jdpme.20230706004

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

Shaking Table Tests and Finite Element Study of Seismic Performance of Full‑containment LNG Storage Tanks

更新时间：2025-12-12

- Shaking Table Tests and Finite Element Study of Seismic Performance of Full‑containment LNG Storage Tanks
- Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering Vol. 45, Issue 5, Pages: 1174-1186(2025)
- 作者机构：
  
  1.同济大学土木工程学院，上海 200092
  2.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092
- 作者简介：
- 基金信息：
- DOI：10.13409/j.cnki.jdpme.20230706004
  CLC： TU352
- Received：06 July 2023，
  
  Revised：2023-08-27，
  
  Published：28 October 2025
- 稿件说明：
移动端阅览
刘威,肖畅.全容式LNG储罐抗震性能的振动台试验及有限元研究[J].防灾减灾工程学报,2025,45(05):1174-1186.

LIU Wei,XIAO Chang.Shaking Table Tests and Finite Element Study of Seismic Performance of Full‑containment LNG Storage Tanks[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(05):1174-1186.
刘威,肖畅.全容式LNG储罐抗震性能的振动台试验及有限元研究[J].防灾减灾工程学报,2025,45(05):1174-1186. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20230706004.

LIU Wei,XIAO Chang.Shaking Table Tests and Finite Element Study of Seismic Performance of Full‑containment LNG Storage Tanks[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2025,45(05):1174-1186. DOI： 10.13409/j.cnki.jdpme.20230706004.

摘要

全容式液化天然气（LNG）储罐是燃气系统的重要组成部分，其抗震性能对城市天然气供应至关重要。本研究以16×10

的超大型全容式LNG储罐为原型，开展了1∶14缩尺全容式LNG储罐模型的振动台试验，并分析了其加速度响应分布和应变响应分布。同时基于有限元软件ABAQUS建立了考虑流固耦合的全容式LNG原型储罐有限元模型。再通过相同的有限元建模方法对缩尺模型进行建模，对比振动台试验中响应较大位置处的加速度和应变时程，从而验证了有限元建模方法的合理性。随后选取Ⅱ类场地的3条地震波作为地震激励，得到了全容式LNG储罐原型结构在0.2g地震动下的剪力分布和0.4g地震动下的结构响应，其中包括加速度响应分布，位移响应分布和应力响应分布，从而对结构的抗震性能和失效机制进行评估。研究结果表明：①在主要频段覆盖结构一阶固有频率的地震动和长周期速度脉冲型地震动激励下，结构的加速度响应和最大层间剪力均被明显放大；②混凝土外罐的薄弱位置是穹顶与侧壁的连接部位；③在长周期速度脉冲型地震动激励下，钢内罐除了发生“象足”屈曲外，还可能发生由液体大幅晃动所产生的“菱形”屈曲模式。

Abstract

Full-containment liquefied natural gas (LNG) storage tanks are a critical part of gas supply systems

and their seismic performance is essential for ensuring urban natural gas supply. This study used an ultra-large full-containment LNG storage tank with a capacity of 16 × 10

as the prototype to conduct shaking table tests on a 1∶14 scaled model of the full-containment LNG tank

and analyze its acceleration and strain response distributions. Meanwhile

a finite element model of the prototype tank

considering fluid-structure interaction

was established using finite element software ABAQUS. Then

the scaled model was modeled using the same finite element modeling approach. The acceleration and strain time histories at high-response locations in the shaking table tests were compared

thereby validating the reliability of the finite element modeling method. Subsequently

using three seismic waves from Site Class II as seismic excitations

the

shear force distribution under 0.2g ground motion and structural responses—including acceleration

displacement

and stress distributions under 0.4g ground motion—of the full-containment LNG prototype tank were obtained to evaluate the tank's seismic performance and failure mechanisms. The results showed that: (1) under seismic excitations with dominant frequency bands covering the first-order natural frequency of the structure and long-period velocity pulse-type ground motions

both the structural acceleration response and maximum inter-story shear force were significantly amplified. (2) The weak points of the concrete outer tank were at the connections between the dome and lateral wall. (3) Under excitations of long-period pulse-type ground motions

the steel inner tank may experience not only "elephant-foot" buckling but also "diamond-shaped" buckling modes caused by substantial liquid sloshing.

关键词

Keywords

references

Zhao M ， Zhou J . Review of seismic studies of liquid storage tanks ［J］. Structural Engineering and Mechanics： An International Journal ， 2018 ， 65 （ 5 ）： 557 - 572 .

Brunesi E ， Nascimbene R ， Pagani M ， et al . Seismic performance of storage steel tanks during the may 2012 Emilia， Italy， earthquakes ［J］. Journal of Performance of Constructed Facilities ， 2015 ， 29 （ 5 ）： 04014137 .

Sezen H ， Whittaker A S . Seismic performance of industrial facilities affected by the 1999 Turkey earthquake ［J］. Journal of Performance of Constructed Facilities ， 2006 ， 20 （ 1 ）： 28 - 36 .

王津，周中一，王涛 . 夹心保温砌体房屋振动台试验研究［J］. 土木工程学报， 2020 ， 53 （增2 ）： 246 - 251 .

Wang J ， Zhou Z Y ， Wang T . Shaking table test of sandwich thermal insulation masonry building ［J］. China Civil Engineering Journal ， 2020 ， 53 （ Sup 2 ）： 246 - 251 . （in Chinese）

陈岩，周中一，王友刚，等 . 多模块高温气冷堆核岛厂房隔震结构振动台试验［J］. 土木工程学报， 2023 ， 56 （ 1 ）： 37 - 48 .

Chen Y ， Zhou Z Y ， Wang Y G ， et al . Shaking table tests on base-isolated nuclear island building of multi-module high temperature gas cooled reactor ［J］. China Civil Engineering Journal ， 2023 ， 56 （ 1 ）： 37 - 48 . （in Chinese）

Clough D P . Experimental evaluation of seismic design methods for broad cylindrical tanks ［M］. -， 1977 .

Tavasoli S ， Shahrouz Sotudeh A ， Bakhshi A . Shaking table test for assessing the seismic performance of semi-anchored steel water tanks ［J］. Thin-Walled Structures ， 2022 ， 176 ： 109311 .

Cui L ， Sun J ， Liu W ， et al . Study on sloshing effect of vertical storage tank with displacement seismic excitation ［J］. Journal of Pressure Vessel Technology ， 2021 ， 143 （ 2 ）： 8 .

孙建刚，王振，杨宇，等 . 模型储罐三维地震反应振动台试验研究［J］. 地震工程与工程振动， 2008 ， 28 （ 5 ）： 122 - 132 .

Sun J G ， Wang Z ， Yang Y ， et al . Finite element analysis of 3D seismic response of unanchored liquid storage tanks ［J］. Journal of Earthquake Engineering and Engineering Vibration ， 2008 ， 28 （ 5 ）： 122 - 132 . （in Chinese）

高小波，孙建刚，罗东雨 . 考虑桩土作用的储罐模拟地震振动台试验［J］. 地震工程学报， 2020 ， 42 （ 3 ）： 629 - 638 .

Gao X B ， Sun J G ， Luo D Y . Shaking table test of a liquid storage tank considering pile： Soil interactions ［J］. China Earthquake Engineering Journal ， 2020 ， 42 （ 3 ）： 629 - 638 . （in Chinese）

Niwa A ， Clough R W . Buckling of cylindrical liquid-storage tanks under earthquake loading ［J］. Earthquake Engineering & Structural Dynamics ， 1982 ， 10 （ 1 ）： 107 - 122 .

Babu S S ， Bhattacharyya S K . Finite element analysis of fluid-structure interaction effect on liquid retaining structures due to sloshing ［J］. Computers & Structures ， 1996 ， 59 （ 6 ）： 1165 - 1171 .

Wu G X ， Ma Q W ， Eatock Taylor R . Numerical simulation of sloshing waves in a 3D tank based on a finite element method ［J］. Applied Ocean Research ， 1998 ， 20 （ 6 ）： 337 - 355 .

Chen W ， Haroun M A ， Liu F . Large amplitude liquid sloshing in seismically excited tanks ［J］. Earthquake Engineering & Structural Dynamics ， 1996 ， 25 （ 7 ）： 653 - 669 .

罗东雨，孙建刚，柳春光，等 . 近断层地震动作用下大型LNG储罐晃动效应研究［J］. 自然灾害学报， 2020 ， 29 （ 5 ）： 99 - 107 .

Luo D Y ， Sun J G ， Liu C G ， et al . Research on sloshing effect of large LNG storage tank under near fault ground motions ［J］. Journal of Natural Disasters ， 2020 ， 29 （ 5 ）： 99 - 107 . （in Chinese）

Graham E W ， Rodriguez A M . The characteristics of fuel motion which affect airplane dynamics ［J］. Journal of Applied Mechanics ， 1952 ， 19 （ 3 ）： 381 - 388 .

EN 1998-4， Eurocode 8： Design provisions of earthquake resistance of structures， part 4： silos， tanks and pipelines ［S］. European Committee for Standardization， Brussels， 1998 .

Rawat A ， Mittal V ， Chakraborty T ， et al . Earthquake induced sloshing and hydrodynamic pressures in rigid liquid storage tanks analyzed by coupled acoustic-structural and Euler-Lagrange methods ［J］. Thin-Walled Structures ， 2019 ， 134 ： 333 - 346 .

侯钢领，张春龙，贾晓飞，等 . LNG储罐在地震作用下弹性罐壁Mises应力理论解［J］. 哈尔滨工程大学学报， 2015 ， 36 （ 8 ）： 1042 - 1048 .

Hou G L ， Zhang C L ， Jia X F ， et al . Theoretical solution of Mises stress to the LNG storage tank with elastic walls under seismic excitations ［J］. Journal of Harbin Engineering University ， 2015 ， 36 （ 8 ）： 1042 - 1048 . （in Chinese）

王刚，李祯，宋天舒，等 . 地震作用下的大型液化天然气储液罐可靠度分析方法［J］. 工业建筑， 2015 ， 45 （ 10 ）： 74 - 78 .

Wang G ， Li Z ， Song T S ， et al . Reliability analysis method of lng reservoir tank under the action of the earthquake ［J］. Industrial Construction ， 2015 ， 45 （ 10 ）： 74 - 78 . （in Chinese）

程选生，景伟，杜永峰，等 . 基于振动台试验的滑移隔震-限位混凝土矩形贮液结构减震研究［J］. 土木工程学报， 2018 ， 51 （ 12 ）： 120 - 132 .

Cheng X S ， Jing W ， Du Y F ， et al . Study on shock mitigation of concrete rectangular liquid storage structure with sliding shock insulator and limiting devices based on shaking table test ［J］. China Civil Engineering Journal ， 2018 ， 51 （ 12 ）： 120 - 132 . （in Chinese）

Li J Y ， You X C ， Cui H C ， et al . Analysis of large concrete storage tank under seismic response ［J］. Journal of Mechanical Science and Technology ， 2015 ， 29 （ 1 ）： 85 - 91 .

Wunderlich W ， Seiler C . Nonlinear treatment of liquid-filled storage tanks under earthquake excitation by a quasistatic approach ［J］. Computers & Structures ， 2000 ， 78 （ 1/2/3 ）： 385 - 395 .

Bursi O S ， di Filippo R ， La Salandra V ， et al . Probabilistic seismic analysis of an LNG subplant ［J］. Journal of Loss Prevention in the Process Industries ， 2018 ， 53 ： 45 - 60 .

刘帅，翁大根，张瑞甫 . 软土场地大型LNG储罐考虑桩土相互作用的地震响应分析［J］. 振动与冲击， 2014 ， 33 （ 7 ）： 24 - 30， 50 .

Liu S ， Weng D G ， Zhang R F . Seismic response analysis of a large LNG storage tank considering pile-soil interaction in a soft site ［J］. Journal of Vibration and Shock ， 2014 ， 33 （ 7 ）： 24 - 30， 50 . （in Chinese）

罗诒红，周中一，唐泽寰，等 . 大型混凝土储液罐考虑穹顶效应的动力响应研究［J］. 工程力学， 2024 ， 41 （ 12 ）： 128 - 137 .

Luo Y H ， Zhou Z Y ， Tang Z H ， et al . Dynamic response analysis of large concrete storage tank consideing the dome effect ［J］. Engineering Mechanics ， 2024 ， 41 （ 12 ）： 128 - 137 . （in Chinese）

周颖，吕西林 . 建筑结构振动台模型试验方法与技术［M］. 2版 . 北京：科学出版社， 2016 .

混凝土结构设计规范： GB 50010—2002 ［S］. 北京：中国建筑工业出版社， 2004 .

构筑物抗震设计规范： GB 50191—2012 ［S］. 北京：中国计划出版社， 2012 .

杨迪雄，李刚，程耿东 . 近断层脉冲型地震动作用下隔震结构地震反应分析［J］. 地震工程与工程振动， 2005 ， 25 （ 2 ）： 119 - 124 .

Yang D X ， Li G ， Cheng G D . Seismic response analysis of isolated structure under near-fault pulse ground motion ［J］. Earthquake Engineering and Engineering Dynamics ， 2005 ， 25 （ 2 ）： 119 - 124 .

Ibrahim R A . Liquid sloshing dynamics： theory and applications ［M］. Cambridge ： Cambridge University Press ， 2005 .

Moncarz P D ， Taylor R K . Engineering process failure： Hyatt walkway collapse ［J］. Journal of Performance of Constructed Facilities ， 2000 ， 14 （ 2 ）： 46 - 50 .

Views

下载量

CSCD

Alert me when the article has been cited

提交

Tools

Publicity Resources

Shaking Table Test and Seismic Fragility Analysis of 110 kV Dry Type Hollow Electrical Reactor

Study on Seismic Response Mechanism of Cross‑fault Tunnels Driven by Fault Site Nonlinearity

Study on Seismic Performance of Dry‑connected Precast Shear Walls with Vertical Seams

Rapid Seismic Performance Assessment and Comparative Selection of FRP Reinforcement Schemes for Earthquake‑damaged RC Frames Based on ETM

Study on Simplified Dynamic Models for Seismic Performance Analysis of High‑voltage Transformers

Related Author

LI Jichao

LUO Qingyu

ZHANG Hong

HE Jun

LI Jianying

LI Ruohan

YUAN Yong

ZHAO Xu

Related Institution

China Academy of Building Research

State Key Laboratory of Building Safety and Environment

Key Laboratory of Earthquake Disaster Mitigation, Ministry of Emergency Management

Key Laboratory of Earthquake Engineering and Engineering Vibration, Institute of Engineering Mechanics, China Earthquake Administration

Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of Ministry of Education, Beijing University of Technology

⁰