Kann man Präteritum und Perfekt in einem Satz mischen, der sich auf die Vergangenheit bezieht?

In der Verwendung als reine Vergangenheitstempora (das Perfekt hat nämlich noch andere Aspekte!) sind Präteritum und Perfekt semantisch eigentlich komplett austauschbar; somit würde ich Ardoris widersprechen, und die von die vorgeschlagene Kombination als durchaus grammatisch bezeichnen. Deutsch hat hierfür auch keine Consecutio-Temporum-Regel oder ähnliches, die eine bestimmte Wahl von beiden abhängig vom Kontext festlegen würde.

Allerdings hängt die Wahl, welches Tempus tatsächlich verwendet wird, zum Großteil von verschiedenen regionalen und stilistischen, also pragmatischen Faktoren ab, was dein Beispiel in vielen Kontexten problematisch macht:

• In der formalen und Schriftsprache wird beinahe ausschließlich das Präteritum verwendet, ohne regionale Variation (Ausnahmen sind wörtliche Reden, literarische Stilmittel, und gewisse Tendenzen wie zB. hast gebadet statt badetest wegen der "Umständlichkeit" der Formulierung). Das Perfekt im Beispielsatz ist somit grundsätzlich inakzeptabel.
• In der Umgangssprache gibt es ein Nord-Süd-Gefälle von ausschließlichem Präteritumgebrauch zu ausschließlichem Perfektgebrauch. An den "Polen" davon (Norddeutschland/Österreich) wären also jeweils für sich genommen die Kombination inakzeptabel, allein wegen der Verwendung der "falschen" Zeit.

In "mittleren" Regionen, oder "gemischten" auch schriftlichen Kontexten (Foren, Chat), ist umgangssprachlich die Vermischung ziemlich akzeptabel, würde ich sagen, weil eindeutig verständlich -- wenn sie auch von kaum jemandem als "sprachlich gut" bewertet würde.

Als Konklusion: sollte man vermeiden. Ich kann mir nicht vorstellen, wie der "kreative Freiraum" dadurch eingeschränkt wird (mit den genannten Ausnahmen), außer es geht um Metrik-Füllungen in gebundener Sprache.

Dein erstes Beispiel vermischt die Tempusformen. Sowohl Perfekt als auch Präteritum (Imperfekt) deuten auf eine Aktion in der Vergangenheit hin. Der Unterschied der beiden liegt darin, dass das Präteritum die Haupterzählzeit sein kann. Viele Romane und andere literarische Texte sind darin verfasst.
Beispiel:

Ich ging nach der Arbeit noch in die Bar. Dort traf ich meine Freunde auf ein Bier.

Hat eine Aktion vor der Erzählzeit stattgefunden und ist abgeschlossen, dann muss das Plusquamperfekt verwendet werden (beispielsweise durch temporale Konjunktion nachdem verdeutlicht).
Beispiel:

Nachdem mich mein Chef gefeuert hatte, lief ich in die Bar. Denn leider hatte ich mein Bahnticket verloren.

Perfekt wird genutzt, um eine Handlung zu schildern, die in der Vergangenheit stattgefunden hat. Dabei ist die Haupterzählzeit allerdings Präsens (Gegenwart).
Beispiel:

Die Freunde haben auf mich gewartet. Sehr gut, jetzt können wir loslegen.

Die Vermischung von Präteritum und Perfekt ist nie grammatikalisch korrekt (oder zumindest kann ich mir gerade kein sinnvolles Beispiel damit vorstellen). Daher ist in deinem Beispiel die zweite Variante besser (doch auch hier kann das Plusquamperfekt genutzt werden):

Ich überraschte mich, als ich gestern siegte.
Ich überraschte mich, als ich gestern gesiegt hatte.