抗日战争全面爆发后，国民政府以韩复榘的第三路军为主力成立了第三集团军，任命韩复榘为总司令。1938年初，韩复榘被国民政府军事委员会下令处决，1月13日，任命于学忠兼任第三集团军总司令，原韩复榘部下孙桐萱晋升为副总司令，但因于学忠的51军在蚌埠有战斗任务需要指挥而第三集团军的作战区在曹县，于学忠两地指挥战斗分身乏术，经请示上级将孙桐萱升为第三集团军总司令，辖孙桐萱为军长的第12军、谷良民为军长的第56军和曹福林为军长的第55军。自此，孙桐萱肩负起领导第三集团军抗战的使命。
九个连战士全体壮烈殉国
徐州会战前夕，第三集团军归第五战区李宗仁领导，孙桐萱率第20师、第22师、第81师防守金乡、曹县以北黄河沿线；曹福林率第29师、第74师赴滕县以北作战，曹师第87旅（旅长荣光兴）旅部调台儿庄附近，命吴化文率第4师袭击济南。
1938年1月，沿着津浦铁路南下的日军矶谷师团受到孙桐萱部队的顽强阻击，进攻势头锐减。2月10日，第三集团军奉命收复济宁并牵制日军南进，孙桐萱先命一部分部队向汶上攻击并向济宁侧击，再联络谷良民率部由定陶县大长沟渡过运河，迂回向济宁北门进攻；曹福林率部由金乡渡过运河，向济宁南关进攻，协同收复全城。
此举意在对日军在台儿庄作战部队右翼产生威胁，继而切断津浦铁路。同时，孙桐萱任军长的12军第81师由方河镇渡过运河，向汶上攻击，并向济宁侧翼展开攻势。当时，据守济宁的是日军第10师团第8旅团第39联队1400人，大部分集中在济宁南关，只有500人驻城里。
2月12日22时，谷良民部的两个团向济宁北门发起进攻，另一团则布防在二十里铺打援。登梯攀城的官兵不惧敌人的猛烈射击，虽遭受惨重伤亡也猛攻不止，至14日，在山炮的掩护下终于从济宁西北城墙取得突破，九个连冲入城内，和日军展开巷战，一度占领全城。
15日，日军协同火炮、战车前来增援，同时分兵一部，直驱大长沟切断第三集团军各部后路。第三集团军入城部队在弹药供给不济的情况下与敌肉搏至夜，九个连的战士全体壮烈殉国。
在济宁西南城策应的第三集团军曹福林部也曾一度攻入火车站，但也无力扭转战局；12军81师于13日夜一度攻入汶上北关，与敌肉搏4昼夜，伤亡2000余人，无力分兵侧击济宁，谷良民部终因腹背受敌伤亡惨重不得不撤出战斗至南旺镇至水流店一线设防，12军第81师奉命撤回方河镇延运河设防。
