JP6959408B2

JP6959408B2 - 管構造

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Publication number: JP6959408B2
Application number: JP2020123789A
Authority: JP
Inventors: 孝育吉井; 茂治清水; 有佑中村
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2020-07-20
Publication date: 2021-11-02
Anticipated expiration: 2036-08-26
Also published as: JP7132406B2; JP7356552B2; JP2022159563A; JP2022159564A; JP2020176726A; JP7381674B2; JP2021167673A

Description

本発明は、管構造に関し、特に同質曲管や直管等の管構造に関する。

例えば同質曲管や直管等の管体を土中に埋設する場合、土圧等の荷重に対する補強のために管体の外周にコンクリートを打設することで、管体をコンクリート体に埋設することが知られている（特許文献１等参照）。

特開２００５−１２１０６２号公報

管体におけるコンクリート体に埋まっている部分とコンクリート体から突出された部分との境界部（つまりコンクリート体の端面付近）では、応力状態が急変し得る。例えば、管体に内圧が加わった場合、管体におけるコンクリート体に埋まっている部分は膨張が殆ど阻止される一方、コンクリート体から突出された部分では膨張が許容される。このため、管体におけるコンクリート体端面付近の部分は、応力集中によって損傷しやすい。

前記課題を解決するため、本発明に係る管構造は、
管体と、
端面が前記管体と交差するようにして前記管体の外周に被さるコンクリート体と、
前記端面付近における前記管体の周面に設けられ、管体に発生する応力を分散させる環状の応力分散材と、
を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、応力分散材による応力分散作用によって、コンクリート体の端面付近における管体の応力状態の急変を緩和できる。この結果、応力集中を抑制して、管体の損傷を防止することができる。

前記応力分散材が、前記管体の外周面に設けられていることが好ましい。
応力分散材を管体の内周面ではなく外周面に設けることよって、管体の内部空間の断面積が減るのを回避できる。

前記応力分散材が、前記管体に沿って前記端面から前記コンクリート体の外部へ張り出すとともに前記管体の変形を拘束する変形拘束材を含み、前記変形拘束材の変形拘束力が前記コンクリート体の変形拘束力よりも低いことが好ましい。
これによって、管体におけるコンクリート体が被さった部分は変形が抑制又は阻止される。管体における変形拘束材が設けられた部分は、前記コンクリート体が被さった部分よりも弱い力で変形を抑制される。管体における変形拘束材よりも外側の部分は変形が許容される。これによって、管体の応力状態の急変を確実に緩和でき、応力を確実に分散させることができる。

前記変形拘束材が、繊維強化プラスチックを含むことが好ましい。
これによって、管体に対する変形拘束力を確実に発現させることができる。

前記変形拘束材の厚みが、前記端面から遠ざかるにしたがって小さくなっていることが好ましい。
これによって、コンクリート体の端面から遠ざかるにしたがって変形拘束力を減少させることができ、応力状態の急変を確実に緩和することができる。

前記応力分散材が、前記管体に沿って前記端面から前記コンクリート体の奥側へ延び、前記管体の変形を許容する変形許容材を含んでいてもよい。
これによって、管体における変形許容材よりもコンクリート体の奥側の部分は、変形が抑制又は阻止される。管体における変形許容材が設けられた部分は、変形許容材の変形許容分だけ変形が許容される。管体におけるコンクリート体から突出された部分は変形が十分許容される。これによって、管体の応力状態の急変を確実に緩和でき、応力を確実に分散させることができる。

前記変形許容材が、弾性材を含むことが好ましい。
これによって、管体における変形許容材が設けられた部分は、変形許容材の弾性変形可能分だけ変形を許容されるようにできる。

前記変形許容材の厚みが、前記端面から前記コンクリート体の奥側へ向かって小さくなっていることが好ましい。
これによって、コンクリート体の奥側から端面に近づくにしたがって変形許容度を増大させることができ、応力状態の急変を確実に緩和することができる。

本発明に係る管構造は、同質曲管に好適である。すなわち、前記管構造が、前記管体と外面連結材を備えており、前記管体が、複数の単位管を含み、各単位管が自らの軸線に対して斜めをなす傾斜端面を有し、隣接する単位管の傾斜端面どうしが突き当てられ、前記外面連結材が、隣接する単位管の外周面どうし間に跨って、これら単位管どうしを連接していることが好ましい。
前記同質曲管からなる管構造において、前記コンクリート体内における前記端面の直近の外面連結材が、前記管体に沿って前記端面の外部へ延び出ることによって、前記変形拘束材を構成していることが好ましい。
これによって、同質曲管における外面連結材及び変形拘束材の施工を効率化できる。
なお、本発明に係る管構造は、前記同質曲管等の曲管構造に限られず、直管構造であってもよい。

本発明によれば、管体におけるコンクリート体の端面付近での応力状態の急変を緩和することができ、管体の損傷を防止できる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る管構造の要部を、防護コンクリート（コンクリート体）を断面にして示す平面図である。図２は、図１の円部ＩＩの断面図である。図３は、第１実施形態の変形態様を示し、図２相当の断面図である。図４は、第１実施形態の他の変形態様を示し、図２相当の断面図である。図５は、第１実施形態の他の変形態様を示し、図１相当の平面図である。図６は、図５の円部ＶＩの断面図である。図７は、本発明の第２実施形態に係る管構造の要部を、コンクリート体を断面にして示す平面図である。図８は、図７の円部ＶＩＩＩの断面図である。図９は、本発明の第３実施形態に係る管構造の要部を、コンクリート体を断面にして示す平面図である。図１０は、図９の円部Ｘの断面図である。図１１は、第３実施形態の変形態様を示し、図１０相当の断面図である。図１２は、第３実施形態の他の変形態様を示し、図１０相当の断面図である。図１３は、第３実施形態の他の変形態様を示し、図９相当の平面図である。図１４は、図１３のＸＩＶ−ＸＩＶ線に沿う断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。
＜第１実施形態＞
図１及び図２は、本発明の第１実施形態を示したものである。図１に示すように、管構造１は、例えば下水道管や農業用水管等として提供される。管構造１は、同質曲管２と、防護コンクリート３（コンクリート体）を備えている。同質曲管２は、例えば原材管を斜めに切断して複数の単位管１１を得、隣接する２つの単位管１１のうち一方の単位管１１を他方の単位管１１に対して１８０°回転させたうえで、切断端面どうしを突き当てて連接したものである。これによって、同質曲管２の管軸が、所定角度（例えば９０°）曲げられている。

詳しくは、同質曲管２は、曲管体１０（管体）と、外面連結材２０を有している。曲管体１０は、複数の単位管１１を含む。複数の単位管１１が一列に連ねられている。各単位管１１の少なくとも片側の端面１１ｅは、当該単位管１１の軸線に対して斜めになっている。隣接する単位管１１の斜めをなす端面１１ｅどうしが突き当てられて連接されている。

曲管体１０の一端部（図１において上側の端部）は、外周が拡径されて受口２ａとなっている。曲管体１０の他端部（図１において右側の端部）は、挿口２ｂとなっている。受口２ａと挿口２ｂとの間が曲がり部分２ｃとなっている。受口２ａに他の管（図示省略）の挿口が挿し入れられる。挿口２ｂは、更に他の管（図示省略）の受口に挿し入れられる。
なお、曲管体１０の受口２ａは、外周が拡径されることなく薄肉化されることで挿口２ｂを受ける構造になっていてもよい。或いは、曲管体１０の一端部に受口２ａとなるカラーを設けて僅かに拡径させて挿口２ｂを受ける構造にしてもよい。

各単位管１１ひいては曲管体１０は、繊維強化プラスチック管（ＦＲＰ管）や繊維強化プラスチック複合管（ＦＲＰＭ管）等の硬質樹脂管によって構成されている。ＦＲＰ管やＦＲＰＭ管は、フィラメントワインディング成形法によって作製されていてもよい。

曲管体１０における隣接する単位管１１どうしの間にそれぞれ外面連結材２０が配置されている。外面連結材２０は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）によって構成されている。詳しくは、図２に示すように、外面連結材２０は、布状体２１（強化繊維）と、充填樹脂２２を含む。布状体２１の材質としては、ガラス繊維のほか、炭素繊維、アラミド繊維等が挙げられる。布状体２１は、ロービングクロス等の織布であってもよく、ガラスマット等の不織布（無方向の布状体）であってもよい。図２における布状体２１は、作図の便宜上、模式的に図示されている。充填樹脂２２が布状体２１に含浸されている。充填樹脂２２の成分としては、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂等が挙げられる。

図１に示すように、外面連結材２０は、隣接する単位管１１の外周面どうし間に跨るとともに、各単位管１１の周方向に環状に巻かれている、充填樹脂２２が、塗布時ないしは未硬化時の接着性によって曲管体１０に接着されている。外面連結材２０を介して、隣接する単位管１１どうしが連結されている。同質曲管２の外周り部分２ｏにおいては、隣接する外面連結材２０どうしが離間されている。同質曲管２の内周り部分２ｉにおいては、隣接する外面連結材２０どうしが少し重なり、若しくは互いに連なっている。なお、内周り部分２ｉにおいても、隣接する外面連結材２０どうしが離間されていてもよい。

同質曲管２の要求耐圧等に応じて、外面連結材２０の厚み、ないしは布状体２１の積層枚数が設定されている。同質曲管２の要求耐圧（内圧）は、例えば０．５ＭＰａ程度である。それ以上の耐圧性を要求される場合は、布状体２１の積層枚数を増やすことで対応できる。

詳細な図示は省略するが、同質曲管２は、土中に配管されている。図１に示すように、曲がり部分２ｃの周辺には、土圧等の荷重に対する補強のために、防護コンクリート３が打設されている。これによって、防護コンクリート３が曲がり部分２ｃの外周に被さっている。言い換えると、曲がり部分２ｃが防護コンクリート３に埋設されている。受口２ａ及び挿口２ｂは、それぞれ防護コンクリート３から突出されている。防護コンクリート３の２つの端面３ｅが同質曲管２と交差している。防護コンクリート３は、鉄筋コンクリートであってもよく、鉄筋を含まないコンクリート体であってもよい。

図１に示すように、同質曲管２における端面３ｅ付近の部分には、変形拘束材３０（応力分散材）が設けられている。変形拘束材３０は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）によって構成されている。詳しくは、図３（ｂ）に示すように、変形拘束材３０は、布状体３１（強化繊維）と、充填樹脂３２を含む。布状体３１の材質としては、ガラス繊維のほか、炭素繊維、アラミド繊維等が挙げられる。布状体３１は、ロービングクロス等の織布であってもよく、ガラスマット等の不織布（無方向の布状体）であってもよい。図２における布状体３１は、作図の便宜上、模式的に図示されている。充填樹脂３２が布状体３１に含浸されている。充填樹脂３２の成分としては、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂等が挙げられる。

図２に示すように、変形拘束材３０は、曲管体１０に沿って端面３ｅから張り出している。変形拘束材３０は、曲管体１０の外周面を囲むように環状になっている。変形拘束材３０の充填樹脂３２が、塗布時ないしは未硬化時の接着性によって曲管体１０に接着されている。変形拘束材３０の防護コンクリート３側（図２において左側）の部分は、防護コンクリート３内に少し入りこんでいる。変形拘束材３０における防護コンクリート３から張り出した部分３０ｅの幅Ｗ_３０ｅは、変形拘束材３０における防護コンクリート３内に埋入された部分３０ｄの幅Ｗ_３０ｄよりも十分に大きい（Ｗ_３０ｅ＞Ｗ_３０ｄ）。例えば、張り出し部分３０ｅの幅Ｗ_３０ｅは、Ｗ_３０ｅ＝数ｃｍ〜数十ｃｍであり、好ましくはＷ_３０ｅ＝５ｃｍ〜３０ｃｍ程度である。埋入部分３０ｄの幅Ｗ_３０ｄは、Ｗ_３０ｄ＝数ｍｍ〜数ｃｍであり、好ましくはＷ_３０ｄ＝５ｍｍ程度である。

変形拘束材３０は、直近の外面連結材２０から離れている。特に同質曲管２の内周り部分２ｉにおいても、変形拘束材３０が外面連結材２０から離れている。なお、内周り部分２ｉにおいては、変形拘束材３０と外面連結材２０とが重なり、若しくは連なっていてもよい。

前記構成の管構造１において、同質曲管２には、例えば最大で０．５ＭＰａ程度の内水圧がかかる。或いは、それ以上の内水圧がかかることも想定される。このような高い内水圧に対し、曲がり部分２ｃは、防護コンクリート３によって拘束されているため、膨張変形が殆ど阻止される。一方、変形拘束材３０よりも外側の受口２ａ及び挿口２ｂは、防護コンクリート３による拘束を受けず、後記変形拘束材３０による拘束も受けないから、膨張変形が許容される。
曲管体１０における変形拘束材３０が設けられた部分は、変形拘束材３０によって拘束され、膨張変形を抑制される。変形拘束材３０による変形拘束力は、防護コンクリート３による変形拘束力よりも低い。これによって、端面３ｅ付近における曲管体１０の応力状態の急変を緩和して、応力を分散させることができる。埋入部分３０ｄを設けて、変形拘束材３０が防護コンクリート３の端面３ｅを跨ぐようにすることによって、曲管体１０の端面３ｅ上での応力状態の不連続性を確実に緩和できる。この結果、応力集中を抑制して、曲管体１０の損傷を防止することができる。
更に、変形拘束材３０によって、防護コンクリート３が不等沈下した場合に生じる剪断応力に対する耐力を増大できる。
変形拘束材３０を曲管体１０の内周面ではなく外周面に設けることによって、同質曲管２の管路断面積ひいてはコンダクタンスが損なわれるのを回避できる。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。以下の実施形態において既述の形態と重複する構成に関しては図面に同一符号を付して説明を省略する。
図３は、第１実施形態の変形態様に係る。該変形態様における変形拘束材３０は、埋入部分３０ｄを有していない。変形拘束材３０の全体が、防護コンクリート３の外部に配置されている。変形拘束材３０における防護コンクリート３を向く端面が、端面３ｅに接している。

図４は、第１実施形態の他の変形態様に係る。該変形態様における変形拘束材３０は、端面３ｅから遠ざかるにしたがって厚みが小さくなっている。これによって、端面３ｅから遠ざかるにしたがって変形拘束力を漸減させることができる。したがって、応力状態の不連続性を確実に緩和することができる。特に、変形拘束材３０の先端部（端面３ｅ側とは反対側の端部）における応力状態の急変を緩和することができる。

図５及び図６は、第１実施形態の他の変形態様に係る。該変形態様においては、防護コンクリート３内における端面３ｅの直近の外面連結材２０Ｅが、変形拘束材３０と連続している。詳しくは、外面連結材２０Ｅは、端面３ｅの直近における単位管１１どうしの連接部から端面３ｅまでの間の曲管体１０の外周面の全域を覆い、更に、曲管体１０に沿って端面３ｅの外部へ延び出ている。外面連結材２０Ｅにおける端面３ｅから外部へ延び出た部分が、変形拘束材３０（応力分散材）を構成している。したがって、変形拘束材３０が、外面連結材２０Ｅと一体化されている。
この変形態様によれば、外面連結材２０Ｅを作製することによって、変形拘束材３０をも同時に作製できる。これによって、外面連結材２０Ｅ及び変形拘束材３０の施工を効率化でき、ひいては同質曲管２の施工を効率化できる。

＜第２実施形態＞
図７及び図８は、本発明の第２実施形態を示したものである。図７に示すように、管構造１Ｂにおいては、管体１０Ｓが直管にて構成されている。直管体１０Ｓは、繊維強化プラスチック管（ＦＲＰ管）や繊維強化プラスチック複合管（ＦＲＰＭ管）等の硬質樹脂管によって構成されている。ＦＲＰ管やＦＲＰＭ管は、フィラメントワインディング成形法によって作製されていてもよい。

直管体１０Ｓが部分的にコンクリート体３Ｂに埋設されている。コンクリート体３Ｂは、鉄筋コンクリートにて構成されていてもよく、鉄筋を含まないコンクリートにて構成されていてもよい。直管体１０Ｓは、コンクリート体３Ｂの端面３ｅから外部へ延び出ている。

図８に示すように、直管体１０Ｓにおける端面３ｅ付近の部分に繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製の変形拘束材３０が設けられている。第１実施形態（図２）と同様に、変形拘束材３０は、コンクリート体３Ｂ内に少し入り込むとともに、直管体１０Ｓに沿って端面３ｅから張り出している。変形拘束材３０におけるコンクリート体３Ｂから張り出した部分３０ｅの幅Ｗ_３０ｅは、変形拘束材３０におけるコンクリート体３Ｂに埋入された部分３０ｄの幅Ｗ_３０ｄよりも十分に大きい（Ｗ_３０ｅ＞Ｗ_３０ｄ）。例えば、張り出し部分３０ｅの幅Ｗ_３０ｅは、Ｗ_３０ｅ＝数ｃｍ〜数十ｃｍであり、好ましくはＷ_３０ｅ＝５ｃｍ〜３０ｃｍ程度である。埋入部分３０ｄの幅Ｗ_３０ｄは、Ｗ_３０ｄ＝数ｍｍ〜数ｃｍであり、好ましくはＷ_３０ｄ＝５ｍｍ程度である。

第２実施形態によれば、直管体１０Ｓに内水圧が作用した場合、コンクリート体３Ｂ内の直管体１０Ｓは、コンクリート体３Ｂによって拘束されるため、膨張変形が殆ど阻止される。一方、コンクリート体３Ｂの外部における変形拘束材３０よりも外側（図８において右側）の直管体１０Ｓは、コンクリート体３Ｂによる拘束を受けず、後記変形拘束材３０による拘束も受けないから、膨張変形が許容される。
直管体１０Ｓにおける変形拘束材３０が設けられた部分は、変形拘束材３０によって拘束され、膨張変形を抑制される。変形拘束材３０による変形拘束力は、コンクリート体３Ｂによる変形拘束力よりも低い。これによって、端面３ｅ付近における直管体１０Ｓの応力状態の急変を緩和して応力を分散させることができる。この結果、応力集中を抑制して、直管体１０Ｓの損傷を防止することができる。

第２実施形態の変形態様として、変形拘束材３０が、図３の変形態様と同様に、張り出し部分３０ｅだけで構成されていてもよく、埋入部分３０ｄが無くてもよい。変形拘束材３０が、図４の変形態様と同様に、端面３ｅから遠ざかるにしたがって厚みが小さくなっていてもよい。

＜第３実施形態＞
図９及び図１０は、本発明の第３実施形態を示したものである。図９に示すように、管構造１Ｃにおいては、直管体１０Ｓにおける端面３ｅ付近の部分に変形許容材４０（応力分散材）が設けられている。変形許容材４０は、弾性材によって構成されている。弾性体の材質としては、直管体１０Ｓを構成するＦＲＰよりも弾性率が低い(柔軟性に富んだ）ものであることが好ましく、例えば、ゴム（ＳＢＲ、ＣＲ、ＥＰＤＭ等の合成ゴム、天然ゴム等）や、発泡性プラスチック等が挙げられる。

コンクリート体３Ｂと直管体１０Ｓとの間に変形許容材４０が介在されている。変形許容材４０は、コンクリート体３Ｂ内における直管体１０Ｓの外周を囲むように環状になっている。変形許容材４０は、端面３ｅからコンクリート体３Ｂの奥側（図１０において左側）へ延びている。変形許容材４０におけるコンクリート体３Ｂの外側を向く端面と端面３ｅとが、面一になっている。直管体１０Ｓの軸線に沿う、変形許容材４０の幅Ｗ_４０は、Ｗ_４０＝数ｃｍ〜数十ｃｍであり、好ましくはＷ_４０＝５ｃｍ〜１５ｃｍ程度である。

第３実施形態によれば、直管体１０Ｓに内水圧が作用した場合、コンクリート体３Ｂ内の変形許容材４０よりも奥側（図１０において左側）の直管体１０Ｓは、コンクリート体３Ｂによって拘束されるため、膨張変形が殆ど阻止される。一方、コンクリート体３Ｂの外部の直管体１０Ｓは、コンクリート体３Ｂによる拘束を受けないから、膨張変形が許容される。
コンクリート体３Ｂ内の直管体１０Ｓにおける変形許容材４０が設けられた部分は、変形許容材４０が圧縮可能な分だけ、膨張変形が許容される。変形許容材４０の圧縮による直管体１０Ｓの膨張変形の許容度は、コンクリート体３Ｂの外部における膨張変形の許容度よりは小さい。これによって、端面３ｅ付近における直管体１０Ｓの応力状態の急変を緩和して応力を分散させることができる。この結果、応力集中を抑制して、直管体１０Ｓの損傷を防止することができる。

図１１は、第３実施形態の変形態様に係る。該変形態様においては、変形許容材４０におけるコンクリート体３Ｂの外側を向く端部が、端面３ｅから少し突出されている。

図１２は、第３実施形態の他の変形態様に係る。該変形態様においては、変形許容材４０の厚みが、端面３ｅからコンクリート体３Ｂの奥側（図１２において左側）へ向かうにしたがって小さくなっている。これによって、コンクリート体３Ｂの奥側から端面３ｅに近づくにしたがって膨張変形の許容度を漸増させることができる。したがって、応力状態の不連続性を確実に緩和することができる。特に、変形許容材４０の奥側（図１２において左側）の端部における応力状態の急変を緩和することができる。

図１３及び図１４は、第３実施形態の他の変形態様に係る。該変形態様においては、変形許容材４０が、コンクリート体３Ｂ内の直管体１０Ｓの全長にわたって設けられている。更に、変形許容材４０の端部は、端面３ｅから少し突出されている。なお、変形許容材４０の端部が端面３ｅと面一になっていてもよい。この変形態様においても、直管体１０Ｓにおける応力状態の急変を緩和して応力を分散させることができる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の改変をなすことができる。
例えば、変形拘束材３０等の応力分散材が、管体の内周面に設けられていてもよい。変形拘束材３０の材質は、繊維強化プラスチックに限られず、変形許容材４０と同様のゴム等であってもよい。
第１実施形態と第３実施形態を組み合わせてもよい。すなわち、第１実施形態（図１〜図２）又はその変形態様（図３〜図６）における同質曲管２の応力分散材として、変形拘束材３０に代えて、第３実施形態（図９〜図１０）又はその変形態様（図１１〜図１４）の変形許容材４０を適用してもよい。

本発明は、例えば下水道管や農業用水管に適用できる。

１，１Ｂ，１Ｃ管構造
２同質曲管
２ａ受口
２ｂ挿口
２ｃ曲がり部分
２ｉ内周り部分
２ｏ外周り部分
３防護コンクリート（コンクリート体）
３Ｂコンクリート体
３ｅ端面
１０曲管体（管体）
１０Ｓ直管体（管体）
１０ｅ隙間
１１単位管
１１ｅ傾斜端面
２０外面連結材
２０Ｅコンクリート体端面直近の外面連結材
２１布状体
２２充填樹脂
３０変形拘束材（応力分散材）
３０ｅ張り出し部分
３０ｄ埋入部分
３１布状体
３２充填樹脂
４０変形許容材（応力分散材）

Claims

管体と、
端面が前記管体と交差するようにして前記管体の外周に被さるコンクリート体と、
前記端面付近における前記管体の周面に設けられ、管体に発生する応力を分散させる環状の応力分散材と、
を備え、前記応力分散材が、前記管体に沿って前記端面から前記コンクリート体の奥側へ延び、前記管体の変形を許容する変形許容材を含み、
前記変形許容材の厚みが、前記端面から前記コンクリート体の奥側へ向かって小さくなっており、前記変形許容材の断面が三角形状であり、
前記管体が、前記変形許容材が設けられた部分と、前記変形許容材よりも奥側の前記コンクリート体に埋まって拘束されるように配置された部分と、前記変形許容材及び前記コンクリート体の前記端面から外部へ延び出た部分を有していることを特徴とする管構造。
前記変形許容材が、弾性材を含むことを特徴とする請求項１に記載の管構造。
前記応力分散材が、前記管体の外周面に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の管構造。