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。
